水下采油樹出油管線的工藝改進(jìn)及驗(yàn)證

蒲　定， 郝偉修， 張鵬舉， 汪偉俊

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200941)

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水下采油樹出油管線的工藝改進(jìn)及驗(yàn)證

蒲定1， 郝偉修1， 張鵬舉2， 汪偉俊2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200941)

摘要：水下采油樹出油管線是油氣從采油樹本體輸出到生產(chǎn)管匯的橋梁，其加工工藝直接影響油氣生產(chǎn)的安全性和作業(yè)區(qū)海洋環(huán)境。該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進(jìn)行加工工藝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一次冷彎成型，并通過(guò)驗(yàn)證和對(duì)比，證明了改進(jìn)后的工藝能夠有效地提升采油樹出油管線的質(zhì)量要求和安全性能。

關(guān)鍵詞：水下采油樹；工藝改進(jìn)；冷彎成型

0引言

水下采油樹(Subsea Christmas tree)是海洋石油開采中的核心關(guān)鍵設(shè)備，主要用于控制和調(diào)節(jié)油井生產(chǎn)、保證作業(yè)安全、錄取油套壓力資料、測(cè)試及清蠟等生產(chǎn)管理，其主要由油管掛、樹本體、閥門、三通/四通、出油管線組成。水下采油樹設(shè)備上的出油管線分為生產(chǎn)管線、環(huán)空管線、跨接管線三種。生產(chǎn)管線為主要的原油輸送通道，環(huán)空管線為備用的原油通道，跨接管線為原油泄放通道。不同的制作工藝，對(duì)于水下采油樹出油管線的安全性、可靠性及使用壽命有不同的影響。該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進(jìn)行加工工藝改進(jìn)研究，研發(fā)了一種全新的一次有芯冷彎成型工藝，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比，有效地提高了管線的安全性能。

1水下采油樹X60管線選材性能標(biāo)準(zhǔn)

X60是管線鋼的一種，其中X在API標(biāo)準(zhǔn)中代表管線鋼，60是強(qiáng)度級(jí)別，其單位是kpsi，X60表示最小屈服強(qiáng)度為60 kpsi的管線鋼。該文選取的X60管線的材料等級(jí)為PSL2，水下采油樹出油管線如圖1所示。

圖1　水下采油樹出油管線

1.1X60管線執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：API SPEC 5L；

制作工藝標(biāo)準(zhǔn)：ASTM B 31.3；

規(guī)格：外徑4-1/2′，8.6 mm≤壁厚≤10.5 mm；

主要用途：用于石油、天然氣工業(yè)中的氣、水、油輸送。

1.2X60管線材料性能要求

(1) 化學(xué)性能

表1、表2中詳細(xì)列舉了X60鋼管PSL1、PSL2等級(jí)時(shí)無(wú)縫鋼管和焊接鋼管的化學(xué)元素含量。

表1　X60 PSL1鋼管化學(xué)成分(重量百分比)要求

表2　X60 PSL2鋼管化學(xué)成分(重量百分比)要求

(2) 力學(xué)性能

表3、表4分別表示X60鋼管PSL1、PSL2等級(jí)時(shí)的力學(xué)性能要求。

表3　X60 PSL1拉伸要求

表4　X60 PSL2拉伸要求

2水下采油樹X60管線制作工藝改進(jìn)

2.1X60管線彎制制作工藝性能要求

(1) 壁厚減薄量要求

表5為API 5L標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壁厚偏差值的要求。

表5　壁厚允許偏差(API 5L)

(2) 彎曲壓扁度

彎曲的壓扁度用截面最大直徑和最小直徑之差來(lái)度量。對(duì)內(nèi)壓管而言，不應(yīng)超過(guò)管子公稱外徑的8%，對(duì)外壓管不超過(guò)3%，且不應(yīng)將管子金屬去除掉來(lái)達(dá)到此要求。

2.2常規(guī)“熱彎+組焊接成型”制作工藝優(yōu)缺點(diǎn)

水下采油樹常規(guī)使用的管線多是按圖紙規(guī)格及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，將多彎的管線，對(duì)彎制部分采用熱彎技術(shù)成型后進(jìn)行分組焊接成型，如圖2所示。

圖2　“熱彎+組焊接成型”制作工藝制作的彎管

優(yōu)點(diǎn)：制作比較簡(jiǎn)便，易加工，易成型。

缺點(diǎn)：(1) 耗時(shí)長(zhǎng)，需要配備專業(yè)的焊工及有效的焊接工藝評(píng)定，焊接后需專業(yè)探傷人員進(jìn)行RT探傷檢測(cè)，易存在因焊接造成的內(nèi)部缺陷彎，且管內(nèi)壁焊縫不容易處理，會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階現(xiàn)象，在原油內(nèi)壁流動(dòng)時(shí)易形成定點(diǎn)腐蝕，從而造成介質(zhì)泄露隱患；(2) 因?yàn)闊釓?，?duì)X60管的機(jī)械性能會(huì)有影響，且彎制成型后管線橢圓度與減薄量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求都在上限公差范圍左右，容易超標(biāo)。

2.3改進(jìn)的“一體有芯冷彎成型”制作工藝

在保證工藝性能的前提下，改進(jìn)了一種“一體有芯冷彎成型制作工藝”，具體改進(jìn)方法如下：

(1) 彎制前修磨去除內(nèi)外表面的拉傷及撞痕；

(2) 遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求制作的Φ114R=350專用模具；

(3) 彎制速度為100 mm/min或根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)；

(4) 彎制外徑由模具控制，內(nèi)徑彎制由模具設(shè)計(jì)和加工精度控制；

(5) 依照彎曲母管的屈服和抗拉強(qiáng)度計(jì)算回彈量，確定模具的彎曲半徑；

(6) 由數(shù)控編碼器進(jìn)行角度控制，所需彎曲角度加5°回彈余量；

(7) 在大平臺(tái)上放樣檢測(cè)彎曲角度，彎制前每30 cm測(cè)量管材壁厚，將較厚的一側(cè)作為彎管外弧。

其優(yōu)點(diǎn)為：(1) 一體有芯冷彎成型減少了因焊接可能造成的泄漏因素，且有芯冷彎后的管線橢圓度與減薄量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求比熱彎后的相關(guān)數(shù)據(jù)都有了明顯提高，完全符合API 5L與ASTM B 31.3規(guī)范的要求；(2) 避免了因熱彎造成的機(jī)械性能損失。

其缺點(diǎn)為：對(duì)彎制工藝要求比較嚴(yán)格，對(duì)操作人員及設(shè)備有較高的要求。

一體有芯冷彎成型工藝制作的彎管如圖3所示。

圖3　一體有芯冷彎成型工藝制作的彎管

3改進(jìn)的管線制作工藝性能驗(yàn)證

通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)對(duì)改進(jìn)的“一體有芯冷彎成型”彎管制作工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，并和常規(guī)的“熱彎+組焊接成型”制作工藝進(jìn)行對(duì)比。

3.1水下采油樹X60彎管性能實(shí)驗(yàn)要求

類型：靜水壓；

介質(zhì)：水；

溫度：常溫；

試驗(yàn)設(shè)備：必須保證有校期內(nèi)；

額定工作壓力：2 250 psi；

試驗(yàn)靜水壓：3 400 psi。

表6中詳細(xì)描述了對(duì)X60鋼管做靜水壓試驗(yàn)的要求。

表6　保壓時(shí)間

要求：保壓期間無(wú)可見滲漏。如使用壓力監(jiān)控儀表或圖形記錄儀進(jìn)行試驗(yàn)證明，圖形記錄顯示的壓降速率不宜超過(guò)試驗(yàn)壓力的3%，最終壓力不應(yīng)低于保壓期結(jié)束之前的試驗(yàn)壓力，初始試驗(yàn)壓力不應(yīng)高出規(guī)定試驗(yàn)壓力的5%。

3.2水下采油樹X60彎管無(wú)損檢驗(yàn)要求

表7中詳細(xì)描述了API 5L對(duì)X60鋼管的NDT要求

表7　管體無(wú)損檢驗(yàn)方法-無(wú)縫鋼管

表7中：EMI為電磁檢驗(yàn)；UT為超聲檢驗(yàn)；MT為磁粉檢驗(yàn)；A為采用一種方法或方法組合；AI為若在訂購(gòu)單上規(guī)定無(wú)損檢驗(yàn)，則采用一種方法或方法組合。

3.3改進(jìn)的工藝性能驗(yàn)證對(duì)比

將改進(jìn)的“一體有芯冷彎成型”和常規(guī)的“熱彎+組焊接成型”兩種水下采油樹出油管線彎制工藝進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比，見表8。由表8可以看出，改進(jìn)的“一體有芯冷彎成型”工藝制作的管線橢圓度與減薄量等標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，比熱彎后的相關(guān)數(shù)據(jù)都有了明顯提高，完全符合API 5L與ASTM B 31.3規(guī)范的要求。

表8　改進(jìn)的工藝與常規(guī)工藝對(duì)比

續(xù)表8　改進(jìn)的工藝與常規(guī)工藝對(duì)比

3.4改進(jìn)的工藝成本對(duì)比

表9中記錄了熱彎組焊接成型管與一體有芯冷彎成型管生產(chǎn)工藝價(jià)格的對(duì)比。

表9　改進(jìn)的工藝成本對(duì)比

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的“熱彎+組焊成型工藝”的工序繁瑣，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，存在一定的反工現(xiàn)象，加工周期長(zhǎng)，成本較高相對(duì)也較高。而改進(jìn)的“一體有芯冷彎成型”周期較短，彎制質(zhì)量穩(wěn)定，成本較低。

4結(jié)論

該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進(jìn)行加工工藝改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)了一種全新的一次有芯冷彎成型工藝，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比，證明改進(jìn)后的工藝能夠有效的提升采油樹出油管線的質(zhì)量要求和安全性能，對(duì)于有更高品質(zhì)要求的海洋石油設(shè)備可以更加有效地保障品質(zhì)安全，同時(shí)也可降低企業(yè)的制造成本與制造周期，實(shí)現(xiàn)制造加工企業(yè)與設(shè)備使用方雙贏的局面。該工藝目前已廣泛推廣運(yùn)用于多項(xiàng)國(guó)產(chǎn)水下設(shè)備項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

[1]童華.長(zhǎng)輸管線大變形設(shè)計(jì)理論研究[D].成都：西南石油學(xué)院，2005.

[2]余建星,俞永清,李紅濤,等.海底管跨渦激振動(dòng)疲勞可靠性研究[J].船舶力學(xué)，2005，9(2)：109-114.

[3]余建星,羅延生,方華燦.海底管線管跨段渦激振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(4)：93-97.

[4] 楊曉華,姚衛(wèi)星,段成美.確定性疲勞累積損傷理論進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué)，2003，4(4)：81-87.

[5]郭海燕,傅強(qiáng),婁敏.海洋輸液立管渦激振動(dòng)響應(yīng)及其疲勞壽命研究[J].工程力學(xué)，2005，22(4)：220-224.

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：蒲定(1982-)，男，工程師。

文章編號(hào)：1001-4500(2016)03-0095-06

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Process Improvement and Verification of Flowlines for Subsea Christmas Tree

PU Ding1, HAO Wei-Xiu1, ZHANG Peng-Ju2, WANG Wei-Jun2

(1.China National Offshore Oil Corporation， Guangdong Zhuhai 519000， China；2. Meizuan Energy Technology (Shanghai) Co.， Ltd, Shanghai 200941,China)

Abstract：The flowlines of the subsea Christmas tree is the bridge for oil&gas from the Christmas tree body to the manifold，the processing technology of which directly affects the safety of oil&gas production and the marine environment in the operating area. This article introduces the process improvement of flowlines(select X60 as material)of the subsea Christmas tree，achieving a cold roll forming and proves that the improved processing can effectively enhance the quality requirements and safety performance of the flowlines by verification and comparison.

Keywords：subsea Christmas tree; process improvement; cold roll forming