深水油氣用高壓軟管承壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

龔 軍，孟曉宇，李 波，代 峰，金學(xué)義

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊 065201；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

高壓軟管是深水油氣開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備，在鉆完井及油氣開采中有著廣泛地應(yīng)用。隨著海洋深水油氣資源不斷開發(fā)，高壓軟管在鉆完井及油氣開采中的應(yīng)用也越來越廣泛。額定工作壓力是管線選型與設(shè)計(jì)加工中最重要的考慮因素之一，不同的額定工作壓力，管線承壓層結(jié)構(gòu)與材料選型不同。從″鉆井防噴器控制管束信號(hào)管線、1″供液管線、4″井控用阻流壓井管線，到8″油氣開采用柔性立管均有承受高壓的特性。

對(duì)于水下控制管束，可用來控制水下防噴器、采油樹、分離器等。當(dāng)水下設(shè)備失效時(shí)，只能采取水下維修或?qū)⒃O(shè)備起出至平臺(tái)進(jìn)行維修。若管束失效將導(dǎo)致停產(chǎn)，必須對(duì)失效管束進(jìn)行維修或更換，這將導(dǎo)致不可估量的損失。

目前，上述高壓軟管大都為進(jìn)口產(chǎn)品，針對(duì)國外生產(chǎn)的柔性立管（含金屬結(jié)構(gòu)）的研究較多。李文博等[1]借助ABAQUS 軟件，針對(duì)非黏結(jié)柔性立管骨架層建立力學(xué)模型，分析了不同軸向力作用下摩擦損失。劉慶升等[2]對(duì)含有8 層非粘結(jié)柔性立管建立理論分析模型，研究了在軸向拉伸和壓縮載荷作用下的軸向剛度。張學(xué)敏[3]采用有限元模擬分析法研究了復(fù)合管生產(chǎn)工藝對(duì)承壓性能的影響，依據(jù)公稱直徑150 mm、公稱壓力2.5 MPa 滌綸纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合管的結(jié)構(gòu)及材料特征，采用Halpin-Tsai 模型法建立了復(fù)合管的有限元模型，研究了纖維鋪層數(shù)量、纖維纏繞角度以及內(nèi)襯層壁厚等工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合管承壓性能的影響。Cui Can[4]利用SHPB 實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)地研究了三維五向編織復(fù)合材料在不同編織角度下的力學(xué)性能、實(shí)時(shí)漸進(jìn)破壞規(guī)律和斷裂機(jī)理。Xia M 等[5]對(duì)內(nèi)壓載荷下纖維纏繞管進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，認(rèn)為纖維纏繞管的應(yīng)力和變形與各層的纏繞方式密切相關(guān)，確定了纏繞角度變化對(duì)軸向應(yīng)變的影響。熊海超[6]通過有限元方法研究了鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管的極限強(qiáng)度，分析了管道生產(chǎn)制造及運(yùn)行過程的缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響。

雖然國內(nèi)外已開展多項(xiàng)研究，但對(duì)于高壓管線承壓能力的研究較少。本文以防噴器控制管束中的″信號(hào)管線為研究對(duì)象，通過擠出機(jī)擠出內(nèi)襯管后，采用不同纖維材料進(jìn)行不同角度的編織，并依據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行爆破壓力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為高壓管線爆破壓力選材及編織角度提供參考依據(jù)。

1 深水鉆井防噴器控制管束

深水防噴器組安裝于水下井口頭上使用，是保證深水鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于液控防噴器，通過控制管束建立鉆井平臺(tái)操作系統(tǒng)與防噴器之間的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控防噴器功能。根據(jù)防噴器功能配置，控制管束一般包括1 根1″主供液管線與備用的″信號(hào)管線（圖1）。管線包括內(nèi)襯塑料管、纖維編織層、包覆層，其主要失效模式為承壓失效（圖2）。目前，防噴器控制管束主要是由Eaton、Parker 等國外公司生產(chǎn)，價(jià)格昂貴、供貨周期長，大大增加了開采成本。因此，自主研發(fā)防噴器液壓控制管束，可節(jié)省大量資金、提高供貨速度，同時(shí)形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品，打破技術(shù)壟斷，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

圖1 防噴器控制管束結(jié)構(gòu)

圖2 管束爆破失效

2 管線實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c判定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 管線實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本實(shí)驗(yàn)樣管內(nèi)襯層與外保護(hù)層采用擠出成型的加工工藝。選用的以單螺桿擠出機(jī)為主體的生產(chǎn)線進(jìn)行塑料擠出層的加工。實(shí)驗(yàn)采用45 擠出機(jī)擠出PA11 材料內(nèi)襯管，擠出機(jī)設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 擠出機(jī)擠出溫度 ℃

編織層采用高性能纖維，其發(fā)展經(jīng)過了尼龍纖維、芳綸、UHMWPE、PBO 纖維的歷程，整體向高強(qiáng)度、高模量、細(xì)旦化的方向發(fā)展（表2）。編織機(jī)按其運(yùn)動(dòng)形式分為有錠子式編織機(jī)和轉(zhuǎn)盤式編織機(jī)。本實(shí)驗(yàn)選用的是錠子式編織機(jī)，錠子數(shù)為24。管線采用編織機(jī)將纖維長絲按一定規(guī)律互相交織并覆蓋在內(nèi)襯管表面上，成為一個(gè)緊密的抗內(nèi)壓層。由于股線以及編織存在有一定規(guī)律，也就建立了編織產(chǎn)品的外徑、編織節(jié)距、股線節(jié)距、股的寬度及每股的線或線數(shù)量之間的關(guān)系。對(duì)不同的編織材料進(jìn)行不同角度的編織，編織過程中發(fā)現(xiàn)不同纖維存在不同的最大可編織角度，統(tǒng)一取編織最大角度60°，編織完成后不同角度的外徑見表3，編織完成后的管線如圖3所示。

表2 編織層參數(shù)

表3 編織角度、編織層外徑對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 實(shí)驗(yàn)管加工

編織完成后，通過45 機(jī)擠出聚氨酯進(jìn)行包覆層加工。由于聚氨酯材料的分子結(jié)構(gòu)中具有醚鍵，易吸潮，因而其含水率較高。高含水率的聚氨酯材料在擠出時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多氣泡，使其無法使用。因此，聚氨酯材料在擠出前必須進(jìn)行預(yù)烘干處理，選用的烘干溫度為90 ℃，烘干時(shí)間為4 h。包覆加工完成的管線如圖3d）所示。對(duì)包覆完成的管線進(jìn)行外觀、外徑、橢圓度檢查，確保實(shí)驗(yàn)樣管質(zhì)量合格。

按API 17E—2017 標(biāo)準(zhǔn)完成軟管接頭及壓制設(shè)備的研制和選型。根據(jù)現(xiàn)有進(jìn)口產(chǎn)品定制同等接頭（316 不銹鋼），采購壓扣機(jī)進(jìn)行接頭連接，接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。管線加工完成后，對(duì)兩端采用壓管機(jī)進(jìn)行接頭扣壓，作為爆破實(shí)驗(yàn)的樣管（圖5）。

圖4 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 爆破樣管

2.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

（1）實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：參考API 17E—2017 7.3.7.6 Burst，及ISO 1402—2021 8.3 Burst pressure test。

（2）實(shí)驗(yàn)程序：樣品長度不少于400 mm，樣品未發(fā)生老化。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)溫度下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于液壓軟管爆破實(shí)驗(yàn)的規(guī)定，對(duì)每一個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。升壓至最終壓力，″軟管壓力為82.8 MPa（（3000 psi）×4.0）。

為驗(yàn)證不同編織角度及編織材料承壓能力，故將實(shí)驗(yàn)樣管打壓直至爆破，取該爆破壓力進(jìn)行對(duì)比。

3 管線實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表4 不同纖維編織爆破壓力實(shí)驗(yàn)值 MPa

由表4 可以看出，①隨著編織角度的增大，承壓能力增大；②不同材料纖維旦數(shù)不同，相同編織角度情況下，承壓狀況不同。其規(guī)律與編織角度變化類似，纖維旦數(shù)越大，編織層越厚；編織角度越大，編織層越厚；③針對(duì)不同的承壓等級(jí)，可根據(jù)管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應(yīng)旦數(shù)的纖維材料。以本文研究的″信號(hào)管線為例，其額定工作壓力為20.7 MPa（3000 psi），根據(jù)API 要求承壓能力需達(dá)到4 倍額定工作壓力，即82.8 MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，2500D 芳綸編織角55°即可滿足要求。

4 結(jié)論

不同的編織層厚度最大承壓能力不同，2500D 芳綸編織角45°為68.2 MPa、50°為80.3 MPa、55°為92.3 MPa、60°為99.5 MPa。隨著編織角度的增加，編織層厚度增加，承壓能力也相應(yīng)增加。不同材料纖維旦數(shù)不同，在相同編織角的情況下承壓狀況不同，其規(guī)律與編織角度變化類似，纖維旦數(shù)越大，編織層就厚；編織角度越大，編織層越厚。對(duì)不同的承壓等級(jí)，可根據(jù)管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應(yīng)旦數(shù)的纖維材料。