水平鉆機試驗系統(tǒng)泥漿管線的靜水壓試驗

畢群泗，劉金榮，楊華慶，張新宇，陳 磊，王 東，王新有

（1．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．青海油田公司機械廠，甘肅敦煌736202）

水平鉆機試驗系統(tǒng)泥漿管線的靜水壓試驗

畢群泗1，劉金榮1，楊華慶2，張新宇1，陳 磊1，王 東1，王新有1

（1．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．青海油田公司機械廠，甘肅敦煌736202）

為水平鉆機的模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計了泥漿循環(huán)管線，由?114．3mm（4英寸）X70型管線鋼管通過油壬連接，總長約3 122m。根據(jù)AISPEC6A標準進行靜水壓試驗，試驗壓力38．5mPa，分段進行試驗。介紹了試驗方法和安全要求。試驗結(jié)果表明該管線達到了設(shè)計要求。

泥漿；管線；靜水壓試驗

某水平鉆機的模擬試驗系統(tǒng)包括供液泥漿泵機組及埋置于室外地下的循環(huán)管線等。循環(huán)管線（或稱泥漿管線）是關(guān)鍵部件之一，按照A PI SPE C 6 A標準的要求，需進行靜水壓試驗。由于該管線較長，試驗壓力高，對試驗過程的安全要求較高。本文介紹了該管線的靜水壓試驗系統(tǒng)的組成、試驗要求和方法，并提出了安全要求，為順利進行管線的壓力試驗提供技術(shù)指導。

1 管線簡介及試壓要求

該循環(huán)管線采用X70型管線鋼管［1］，規(guī)格為?114．3mm（4英寸），總長約為3 122m，分為7段，通過油壬連接。為了方便布置管線，中間部位設(shè)計成周長約為444m的盤管形，共繞7圈。為了測試該管線的安裝密封質(zhì)量，對7段管道按序依次進行密封試驗，經(jīng)檢查該管道的焊接、安裝符合設(shè)計規(guī)范要求。為了測試該管線的耐壓能力，分段進行靜水壓試驗。在進行壓力試驗前，加工所需的接頭［2］，與被試管段的連接如圖1所示。

圖1 管段試壓連接結(jié)構(gòu)

?114．3mm（4英寸）X70管線鋼管試壓技術(shù)參數(shù)：

5 結(jié)語

海洋鉆井平臺井控系統(tǒng)設(shè)計屬于鉆井模塊設(shè)計的一部分，系統(tǒng)設(shè)計在滿足自身的功能需求的前提下，還需考慮與船體、輪機、內(nèi)、外舾等各專業(yè)的相互配合。同時還應(yīng)結(jié)合船東的意見和操作習慣，綜合設(shè)計。

井控裝備的匹配在設(shè)計前除參考行業(yè)標準及有關(guān)要求外，還應(yīng)結(jié)合各地區(qū)實際情況和單井的特殊性進行設(shè)計，盡量滿足不同海域、不同環(huán)境、不同地層和不同井深的作業(yè)要求，綜合提升平臺的性能。

［1］ 馮利杰，張福，馬永新，等．巖屑處理裝置在DSJ300-1海洋鉆井平臺上的應(yīng)用［J］．石油機械，2013，41（3）：77-79

［2］ 董慶輝．海洋鉆井泥漿系統(tǒng)研究［J］．中國造船，2009，50（增刊）：982-990．

［3］ 石油天然氣井下作業(yè)井控編寫組．石油天然氣井下作業(yè)井控［m］北京：石油工業(yè)出版社，2008．

［4］ A PI Spec 16D，Pipeline Valves（Steel Gate，Plug，Ball，and Check Valves）［S］．1993．

［5］ 中國石油集團公司井控培訓教材編寫組．鉆井井控設(shè)備［m］．東營：中國石油大學出版社，2009．試驗標準

S Y5260—1991，壓裂管匯；APISPEC6A

最大工作壓力35mPa

最大試驗壓力［3］38．5mPa

管匯通徑?80mm

試驗介質(zhì)［4］清水

2 靜水壓試驗方法及操作步驟

電動試壓泵型號為4D S Y-15／80。試驗水源來自城市供水管網(wǎng)。管道灌水應(yīng)從注入端緩慢灌入，使管道內(nèi)氣體自然從管道末端排除。為使灌注后不產(chǎn)生滯留氣體，將每段管的末段抬高100mm，以利于排氣，排氣完畢后用堵頭將末端堵死。

2．1 試驗方法

管線的設(shè)計工作壓力為35mPa，按照APISPEC6A標準進行壓力試驗，試驗壓力為設(shè)計壓力的1．1倍，即38．5mPa，保壓15min。進行靜水壓試驗前，先將堵頭（或法蘭）與試壓鋼管相連，在確認連接牢固，能保證密封后，使用普通水管連接在高壓軟管接頭上進行注水。當被試管道內(nèi)注滿水并排出空氣后，將試壓泵出口軟管與高壓軟管接頭連接，啟動試壓泵進行壓力試驗。試驗過程嚴格按照APISPEC6A標準要求進行。試驗結(jié)束，用試壓泵上的卸荷閥進行卸荷，當壓力降為零壓后，拆卸兩端堵頭，完成管段的靜水壓試驗。

試驗時應(yīng)分級加壓（每級增加10mPa），保壓15min。每升壓一級應(yīng)檢查管體及接口，當無異?，F(xiàn)象時再繼續(xù)升壓，將水壓升至試驗壓力后，保壓15min壓降小于1．7mPa，檢查接口、管身無破損、無變形、無漏水、無冒汗等現(xiàn)象，視為合格。

2．2 卸壓要求

管線系統(tǒng)加壓、保壓結(jié)束后，擰開試壓泵的卸壓閥進行卸壓，要控制卸壓時間、壓力下降要柔和，以免損壞試壓泵。卸壓時采用分級降壓，初級壓力為35mPa，后級依次每級降10mPa，每級保壓時間為5min。

2．3 試壓安全技術(shù)要求

1） 為防止試驗過程中發(fā)生事故，試驗管線或部件必須安裝在地坑內(nèi)進行試驗，試驗地坑周圍禁止站人。其他人員在被試管線或部件帶壓的情況下不得進入地坑進行觀察和操作。

2） 試驗時分級加壓（級差10mPa），每升壓一級應(yīng)對管道節(jié)點、接口、支座等外觀進行認真的檢查，無異常現(xiàn)象時再繼續(xù)升壓。

3） 當水壓試驗進行時，禁止對管體、管體接口進行外力的敲打或?qū)Ρ┞度毕莸匿摴苓M行修補，嚴禁帶壓工作。若試驗過程中發(fā)現(xiàn)管體存在缺陷，應(yīng)作好標記，待整體瀉壓后再進行維護，缺陷解決后方可重新進行試壓。

3 試驗結(jié)果分析

?114．3mm（4英寸）X70型管線鋼管的靜水壓試驗數(shù)據(jù)如表1，其中記錄了加壓過程中所發(fā)生的問題?？梢姯h(huán)境的溫度對試驗產(chǎn)生了很大的影響，試驗應(yīng)選擇環(huán)境溫度變化不大時進行。管線材料的強度試驗是合格的，密封性試驗也是合格的。對比有限元數(shù)據(jù)（本文省略過程）分析，該管線的應(yīng)力變化等滿足要求，其位移量的變化對該管線無影響。X70型管線鋼的縱向屈強比低于0．69，最小屈服強度為478mPa，均勻變形伸長率大于11%，斷后伸長率大于27．5%，具有良好的均勻變形能力［8］。

表1 ?114．3mm（4英寸）X70管線鋼管靜水壓試驗數(shù)據(jù)

4 影響管線承載能力的因素分析

4．1 管道承受的載荷及其應(yīng)力狀態(tài)［5］

1） 壓力載荷。該循環(huán)管道承受內(nèi)壓，設(shè)計壓力按照GB50316規(guī)定要求確定。內(nèi)壓管道在管壁上產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力。

2） 固有外載荷。固有的外載荷包括管道本身所具有的載荷（例如管體及連接體的重力、管內(nèi)流體介質(zhì)或管外保溫材料的重力）、支吊架的反作用力等。持續(xù)外載荷可使管道產(chǎn)生彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力。

壓力載荷和固有外載荷在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，具有非自限性的特征，即應(yīng)力隨著載荷的增大而增大，當管道產(chǎn)生塑性變形時，其載荷并未變化。

3） 溫度變化產(chǎn)生變形。管道安裝后進行工作，由于管道內(nèi)介質(zhì)的溫度變化，使管道產(chǎn)生膨脹或縮小的變形。與工作部件相連的管道，由于工作部件在工作過程中產(chǎn)生的溫度變化而使相連接的管道產(chǎn)生位移變化，該種位移也會使得管道發(fā)生變形。以上由于溫度變化導致管道受到扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、拉伸變形和剪切變形等而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，具有自限性的特征，即當局部的總應(yīng)力值超過材料的屈服極限，產(chǎn)生輕微的塑性變形，其所受應(yīng)力會重新分布，不再成比例地增加，從而限定在某一范圍之內(nèi)；當溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時，則會產(chǎn)生反方向的應(yīng)力。因此，在持續(xù)載荷和循環(huán)載荷（交變的溫度變化產(chǎn)生變形等）的聯(lián)合作用下管道中可能會出現(xiàn)漸增的或累積的塑性變形，導致結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性或因疲勞而破壞。

4．2 管道許用應(yīng)力與應(yīng)力校核條件

管道應(yīng)力校核的原則是：在外載荷作用下管道中所產(chǎn)生的周向和縱向一次應(yīng)力值不得超過相應(yīng)的許用值；由熱脹和端點位移引起的二次應(yīng)力則采用許用應(yīng)力范圍來判斷。

由于鋼管截面并非理論上的圓形，及管道彎頭對流體的流向產(chǎn)生影響，流體的流向應(yīng)該緩慢的變化，盡可能減少由于流體流動方向變化造成的沖擊。

在高壓條件下，由于內(nèi)壓作用在鋼管表面所引起的徑向應(yīng)力明顯地影響到管子內(nèi)壁符合米西斯（V onmises）或屈雷斯卡（Tresca）理論的材料屈服強度［6］。對于連續(xù)載荷作用力下一次應(yīng)力滿足的校核條件［7-9］在G B 50316（其參照了A SmE B31．3中的規(guī)定）中作了如下規(guī)定。

1） 管道及其組成件其厚度及所需補強計算在滿足要求時，由內(nèi)壓的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

2） 管道及其組成件其厚度及所需穩(wěn)定性在滿足要求時，由外壓的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

3） 在管道中由壓力、各種重力及其他連續(xù)載荷作用產(chǎn)生的縱向的應(yīng)力之和σL，不能超過該種材料在設(shè)計最高溫度條件下的許用應(yīng)力［σ］h，即

5 結(jié)語

該管線是為模擬水平鉆機在井下作業(yè)時的工作環(huán)境而設(shè)計的，密封性能試驗和靜水壓強度試驗可以保障該系統(tǒng)的安全性，為下一步的動密封試驗打下扎實的基礎(chǔ)。管線的安裝、焊接都嚴格按照相應(yīng)的標準規(guī)范執(zhí)行。由于持續(xù)試驗時間長，環(huán)境溫度的變化對管內(nèi)壓力有影響，應(yīng)選擇環(huán)境溫度變化小的時段進行試驗。從試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比可知該試驗方法是可行的。該系統(tǒng)的研制成功為井下工具的模擬試驗起到重要作用。

基于本研究，筆者認為利用遙感影像數(shù)據(jù)和夜間燈光指數(shù)研究人口空間分布現(xiàn)狀的技術(shù)較為成熟，也被大多數(shù)的學者所廣泛采用。但運用此技術(shù)研究普遍居住在山區(qū)的客家人口空間分布過程中，由于受到山區(qū)中的地形、植被等因素的影響，精度會受到一定的影響。從高程、坡度、坡向等地理因子方面探究梅縣區(qū)客家人口的分布成因的分析方法也較為合理，但在哪些因子對客家人口的分布影響較大，因子的權(quán)重系數(shù)大小如何設(shè)置是今后需要深入探究。梅縣區(qū)是廣東典型的客家人聚集的地區(qū)，通過對梅縣區(qū)的客家人口分布研究，為廣東省有關(guān)客家人的研究提供的借鑒。

［1］ A PI SPEC 5L E R TA—2009，Specification for Line Pipe F O R T Y-F O U R T H E DITIO N［S］．

［2］ A PI R P 1110—2007，Pressure Testing of Steel Pipelines for the Transportation of Gas，PetroleumGas，H azardous Liquids，Highly Volatile Liquids or Carbon Dioxide［S］．Fifth Edition．

［3］ A PI SP E C 6 A E R T A 4—2007，Specification for W ellhead and Christmas Tree Equipment［S］．

［4］ S Y 5260—1991，壓裂管匯［S］．

［5］ 岳進才．壓力管道技術(shù)［m］．北京：中國石化出版社，2001．

［7］ 于浦義，張德姜，唐永進．石油化工壓力管道設(shè)計手冊［K］．北京：化學工業(yè)出版社，2007．

［8］ 徐巖．石油化工裝備成套技術(shù)［m］．北京：中國石化出版社，2010．

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T E933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．021

2015-02-10

畢群泗（1980-），男，山東萊蕪人，工程師，2005年畢業(yè)于長江大學機械設(shè)計與制造專業(yè)，從事石油機械的研制工作，E-mail：biqs＠qq．com。