隔水管撓性接頭試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

雷廣進(jìn)，左其川，黃 萍，李愛利，趙煥寶，李淑芳，向明余(1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 7100；.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 7100)

隔水管撓性接頭試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

雷廣進(jìn)1，2，左其川1，2，黃 萍2，李愛利1，2，趙煥寶2，李淑芳1，2，向明余2
(1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

基于隔水管撓性接頭的使用工況和功能特點(diǎn)，分析了隔水管撓性接頭的試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了隔水管撓性接頭試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置包括3種類型的試驗(yàn)工裝，分別用于水壓試驗(yàn)、彎曲循環(huán)試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。重點(diǎn)介紹了彎曲循環(huán)試驗(yàn)工裝和載荷試驗(yàn)工裝的結(jié)構(gòu)原理與使用方法。該試驗(yàn)裝置可用于模擬隔水管撓性接頭在海洋的工況并試驗(yàn)與研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)使用提供參考依據(jù)。

隔水管；撓性接頭；試驗(yàn)裝置；設(shè)計(jì)

撓性接頭是保障海洋石油鉆井隔水管系統(tǒng)正常工作的重要設(shè)備之一，主要安裝在隔水管底部，允許在隔水管和BOP組之間存在角度偏差，從而減少隔水管上的彎曲力矩，如圖1。我國(guó)在該設(shè)備的研究和開發(fā)方面起步較晚，且遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。為了推動(dòng)海洋石油裝備的國(guó)產(chǎn)化，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司目前已經(jīng)設(shè)計(jì)完成了一種FJ-E25S型隔水管撓性接頭(以下簡(jiǎn)稱撓性接頭)，該撓性接頭內(nèi)部設(shè)有撓性元件，可適應(yīng)任意方向的偏擺，具有承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，抗彎曲能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1-5]。

筆者針對(duì)該撓性接頭實(shí)際工況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)裝置，用于撓性接頭的試驗(yàn)與研究，確保其在深水海洋環(huán)境下的安全性和可靠性。

圖1 撓性接頭工作位置

1 試驗(yàn)要求

由于撓性接頭是重要鉆井通道，工作在海底，在波浪作用下，除發(fā)生周期性的前后左右搖擺外，還產(chǎn)生隨波浪上下升沉運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)將影響隔水管系統(tǒng)穩(wěn)定性及井口裝置安全性，甚至帶來(lái)災(zāi)難性后果[6-11]。因此，撓性接頭應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)、彎曲循環(huán)試驗(yàn)和在彎曲工況下的載荷試驗(yàn)等。該撓性接頭適用于E級(jí)隔水管系統(tǒng)，工作水深1 500 m，工作壓力17.24 MPa，工作載荷為4 448 kN；許用撓性角度為±10°；撓性接頭上下端均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接。

2 試驗(yàn)原理分析

根據(jù)上述的試驗(yàn)要求，為了達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?，撓性接頭試驗(yàn)裝置至少應(yīng)具備3種類型的試驗(yàn)工裝，分別滿足撓性接頭的水壓試驗(yàn)、彎曲循環(huán)試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。

2.1 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)包括靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和靜水壓密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力分別25.86 MPa和17.24 MPa。由于撓性接頭上下法蘭均按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此試驗(yàn)工裝也參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)即可，本文將不再闡述。

2.2 彎曲循環(huán)試驗(yàn)

彎曲循環(huán)試驗(yàn)用于模擬隔水管系統(tǒng)在海洋工況下受到洋流、波浪等作用，發(fā)生前后左右搖擺，造成撓性接頭中撓性連接件產(chǎn)生循環(huán)彎曲偏擺的現(xiàn)象。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在1個(gè)撓曲平面內(nèi)，在最大撓性角的±50%處，即±5°處，彎曲循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)不得低于100 000次，如圖2。

圖2 彎曲循環(huán)試驗(yàn)原理

2.3 載荷試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)用于檢測(cè)撓性接頭承受綜合性外力的性能，是模擬隔水管系統(tǒng)在海洋鉆井工況下，受到拉伸載荷并伴隨彎曲偏擺的試驗(yàn)與研究。由于海洋工況的不確定性，會(huì)造成隔水管系統(tǒng)發(fā)生不同方向和不同角度的偏擺。試驗(yàn)時(shí)，撓性連接件可能會(huì)沿圓周任意方向偏擺，偏擺角度為0～10°，試驗(yàn)最大載荷為2倍工裝載荷，即8 896 kN。如圖3。

a 撓性連接件偏擺方向

b 撓性連接件偏擺角度及載荷

3 彎曲循環(huán)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

彎曲循環(huán)試驗(yàn)工裝包括安裝連接機(jī)構(gòu)、水壓試驗(yàn)機(jī)構(gòu)和彎曲加載機(jī)構(gòu)。如圖4。

1—試驗(yàn)臺(tái)架；2—下法蘭；3—上法蘭；4—水壓接頭；5—彎矩銷；6—連接銷軸；7—液壓缸及液控系統(tǒng)；8—鉸支座；9—斜梯；10—撓性接頭。圖4 彎曲循環(huán)試驗(yàn)工裝

3.1 安裝連接機(jī)構(gòu)

安裝連接機(jī)構(gòu)包括試驗(yàn)臺(tái)架和斜梯，主要用于撓性接頭、油缸等的安裝、固定與連接。

3.2 水壓加載機(jī)構(gòu)

水壓加載機(jī)構(gòu)包括下法蘭、上法蘭和水壓接頭，其目的是做為一種技術(shù)手段來(lái)觀察和檢測(cè)撓性接頭因循環(huán)彎曲載荷而造成各零部件的磨損、破壞或疲勞等現(xiàn)象。具體操作是：試驗(yàn)時(shí)，往撓性接頭內(nèi)腔泵入工作液，達(dá)到要求的試驗(yàn)內(nèi)壓時(shí)，開啟液壓缸帶動(dòng)撓性連接件做彎曲循環(huán)運(yùn)動(dòng)。如果撓性接頭發(fā)生磨損、破壞或疲勞等現(xiàn)象，會(huì)直接造成壓力下降或壓力泄漏，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)撓性接頭的工作性能的目的；也可快速、直接找出試驗(yàn)失敗的原因，為設(shè)計(jì)改進(jìn)和提高提供依據(jù)。

另外，該水壓試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的上、下法蘭還兼顧其他試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)與功能，可以直接用于撓性接頭的水壓試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)，避免重復(fù)設(shè)計(jì)、制造。如圖5～6所示。

圖5 上法蘭

圖6 下法蘭

3.3 彎曲加載機(jī)構(gòu)

彎曲加載機(jī)構(gòu)包括彎矩銷、連接銷軸、液壓缸液控系統(tǒng)和鉸支座，主要功能是為撓性接頭施加循環(huán)彎曲載荷。

液壓缸為雙出桿結(jié)構(gòu)，液壓缸額定壓力31.5 MPa、油缸內(nèi)徑160 mm、活塞直徑100 mm、行程380 mm，液壓缸內(nèi)腔兩端設(shè)有緩沖結(jié)構(gòu)，外部中段設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸，活塞端部為球鉸耳環(huán)，如圖7。

圖7 液壓缸結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)除了要保證撓性連接件在液壓缸的帶動(dòng)下做循環(huán)運(yùn)動(dòng)外，還要統(tǒng)計(jì)計(jì)算撓性連接件的循環(huán)次數(shù)；另外，液壓主回路中還設(shè)有蓄能器，蓄能器增加了液壓系統(tǒng)油壓的穩(wěn)定性，也削弱了往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的液壓振動(dòng)。圖8為液壓系統(tǒng)主回路原理圖。

1—液壓油源；2—單向閥；3—節(jié)流閥；4—溢流閥；5—油箱；6—蓄能器；7—電液換向閥；8—液壓缸；9—限位開關(guān)；10—計(jì)數(shù)器；11—操作控制臺(tái)。圖8 液壓系統(tǒng)主回路原理

4 載荷試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

載荷試驗(yàn)除了盡可能模擬實(shí)際工況外，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的工藝試驗(yàn)裝備條件，因此，本試驗(yàn)設(shè)定了3種試驗(yàn)狀態(tài)，即撓性連接件偏擺0°、5°和10°的載荷試驗(yàn)。

4.1 偏擺0°的載荷試驗(yàn)工裝

偏擺0°的載荷試驗(yàn)與常規(guī)載荷試驗(yàn)并無(wú)實(shí)質(zhì)差別，按通常的試驗(yàn)方法進(jìn)行安裝、連接、加載即可完成試驗(yàn)。如圖9。

圖9 偏擺0°載荷試驗(yàn)工裝

4.2 偏擺5°和10°的載荷試驗(yàn)工裝

由于現(xiàn)有的工藝試驗(yàn)裝備其加載端與固定端在同一中心線，無(wú)法進(jìn)行傾斜加載，因此須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，更改內(nèi)容包括：更換固定端法蘭和增加偏擺油缸。如圖10所示。

圖10 偏擺5°或10°的載荷試驗(yàn)工裝

重新設(shè)計(jì)了固定端法蘭，其目的是模擬撓性接頭在不同偏擺角度下試驗(yàn)。固定端法蘭包括5°偏擺法蘭和10°偏擺法蘭，并且將連接方式更改為沉孔螺栓結(jié)構(gòu)，螺紋沉孔垂直于偏擺面。如圖11所示。

圖11 偏擺法蘭

4.3 試驗(yàn)操作步驟

以偏擺10°的載荷試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

第1步，將撓性接頭上端與上法蘭、加載法蘭連接，下端與下法蘭連接，組成載荷試驗(yàn)組件。

第2步，將載荷試驗(yàn)組件下端與10°偏擺法蘭連接；此時(shí)啟動(dòng)偏擺油缸，對(duì)撓性連接件施加彎曲載荷，使其偏擺到水平位置，即偏擺10°；然后載荷試驗(yàn)組件再與加載油缸連接，使其到達(dá)試驗(yàn)狀態(tài)。

第3步，啟動(dòng)加載油缸，逐級(jí)加載至試驗(yàn)載荷；此時(shí)，再注入內(nèi)壓，檢測(cè)撓性接頭是否異常。試驗(yàn)完成后，卸載、泄壓。

第4步，將載荷試驗(yàn)組件分別與10°偏擺法蘭和加載油缸脫離。

第5步，將載荷試驗(yàn)組件沿周向旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺栓孔的角度；然后再按照第2步～第5步的次序進(jìn)行試驗(yàn)，直到完成整個(gè)圓周方向的載荷試驗(yàn)。

按上述試驗(yàn)方法，即可完成偏擺5°或其他偏擺狀態(tài)小的載荷試驗(yàn)；該試驗(yàn)工裝和試驗(yàn)方法可部分實(shí)現(xiàn)撓性接頭在不同方向和不同角度的偏擺載荷試驗(yàn)。

5 結(jié)論

1) 撓性接頭試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)撓性接頭的水壓試驗(yàn)、彎曲循環(huán)試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。

2) 彎曲循環(huán)試驗(yàn)工裝中液壓缸采用了雙出桿結(jié)構(gòu)和機(jī)械緩沖結(jié)構(gòu)，保證了試驗(yàn)的勻速和平穩(wěn)；該工裝中液壓控制系統(tǒng)同樣具備穩(wěn)壓和減震功能，同時(shí)還兼顧試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)；該試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，增加了水壓檢測(cè)手段，可實(shí)時(shí)檢測(cè)撓性接頭的試驗(yàn)狀況。

3) 載荷試驗(yàn)工裝利用了現(xiàn)有的工藝試驗(yàn)裝備進(jìn)行改進(jìn)與提升，同時(shí)增加了偏擺法蘭和偏擺油缸，可部分實(shí)現(xiàn)撓性接頭在不同偏擺方向和不同偏擺角度下的載荷試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)使用提供參考依據(jù)。

4) 上、下法蘭通用性強(qiáng)，同時(shí)滿足水壓試驗(yàn)、彎曲循環(huán)試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)的要求和應(yīng)用，避免重復(fù)設(shè)計(jì)、制造。

5) 撓性接頭試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，可用于隔水管撓性接頭的試驗(yàn)與研究。

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Design of Test Device for Riser Flex Joint

LEI Guangjin1，2，ZUO Qichuan1，2，HUANG Ping1，2，LI Aili1，2，ZHAO Huanbao2，LI Shufang1，2，XIANG Mingyu2
(1.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China；2.CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

By analyzing the testing contents and testing principle of the riser flex joint on the base of its working consideration and function feature，a test device for riser flex joint has been designed.The test device includes three types of testing equipment，hydrostatic testing equipment，bending fatigue testing equipment and load testing equipment.The structure and application of the bending fatigue testing equipment and load testing equipment are focused on in this article.The test device is simple and reliable，that can be used for simulation the riser flex joint’s test and research under sea conditions.And the testing data and results provide reference basis for field use.

riser pipe；flex joint；test device；design

2016-11-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)項(xiàng)目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制” ( 2013AA09A222) 。

雷廣進(jìn)(1968-)，男，陜西華縣人，高級(jí)工程師，主要從事石油機(jī)械試驗(yàn)技術(shù)研究與管理工作，E-mail：Leigj@bomco.cn。

1001-3482(2017)03-0046-05

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.010