新型连接方式注水管的研制与应用

2013-12-31李松梅李淑涛秦双双

机械工程师 2013年4期

李松梅，李淑涛，秦双双

（中海能源发展股份有限公司油田建设工程公司，天津塘沽300452）

1 引言

目前海上注水井使用的注水管均为普通NU 油管，在高压高流速的作用下，管体与接箍连接处形成较强的涡流，油管出现严重冲蚀和大面积结垢的现象,导致注水管的连续工作寿命较短，频繁停机检修，增加生产成本。针对这些问题设计了特殊注水管，该注水管接箍采用内凸台的结构和特殊的螺纹结构形式，使得注水管与接箍连接起来后内径完全一致，可有效消除由于涡流而带来的影响，延长注水管的连续工作寿命，增加了注水量，提高了地层压力，提高了原油的采收率，在很大程度上缩小了停机检修的频率，大大降低了生产成本。

2 结构形式和螺纹形式的设计

2.1 普通注水管的有限元分析计算

根据对普通注水管结垢、冲蚀的分析，出现该问题的原因是由于注水管在接箍连接处存有间隙，液体在高压高流速下在此处产生较强的涡流，从而导致在该局部区域出现严重的冲蚀结垢现象。通过ANSYS 软件对注水管管内的液体流速、压力、结构过程以及冲蚀进行有限元分析计算，其结果证实了我们分析的原因的正确性，并模拟出了普通注水管的结垢过程。

如图1、如图2，通过对流速、流层的分析，可见在接箍中间缝隙位置，存在较强的涡流，正是涡流的存在导致了大面积结垢的发生。

图1 流速分析图

图2 流层分析图

通过压力计算结果可以看出在接箍中间缝隙处的压力较高，从而导致出现冲蚀现象。

通过分析软件对其结垢过程进行模拟，如图3、图4。

图3

图4

对冲蚀现象我们用ANSYS 软件进行了计算，并得出计算结论。根据以上螺纹装配和加水压的计算结果，钢管容易出现冲蚀的部位有2 个，一是管头，二是钢管与螺纹套入口的接触部位的内侧。冲蚀机理和过程可以解释为：因为在接箍中间有间隙，因此造成局部应力过高，在有腐蚀的环境下，如果管头和钢管高应力部位发生腐蚀，就会出现局部材料失效或脱落，局部材料的失效和脱落引起钢管内部应力的重新分配，导致钢管的部分区域的应力超标，局部的超标应力逐渐发展导致了较大区域的材料失效与脱落。

2.2 新型连接方式注水管的设计

根据以上分析，我们设计了新型连接方式注水管，其结构形式如图5。

在新型连接方式注水管中，由于接箍形式的改变，消除了接箍中间的缝隙，消除了因缝隙而带来的涡流，从而解决了结垢和冲蚀带来的影响与不利。

通过用ANSYS 有限元分析软件对新型连接方式注水管进行计算，其结果如图6、图7。

图5 新型连接方式注水管结构示意图

图6

图7

由计算结果可知，在新型连接方式注水管内，其液体的流速与压力均是均匀分布，这就说明彻底地消除了涡流带来的影响。

新型注水管材料仍选用N80，其力学性能完全满足生产需要。

3 新型连接方式注水管的的加工

3.1 图纸的设计

根据设计方案，我们绘制了设计图纸，并进行优化设计，设计图纸如图8、图9。

3.2 新型连接方式注水管的加工及上扣实验

在螺纹的加工过程中，如何去确定合适的紧密距、上扣扭矩，以及合适的紧密距数值为多少成为了一个关键的技术难点，为此我们根据计算数据，加工了数十个不同的紧密距的螺纹，通过上扣实验，反复地拧接，最终确定了紧密距以及上扣扭矩。

图8 新型连接方式注水管接箍

图9 新型连接方式注水管公头

4 质量的保证

我公司已经从事多年加工各种API 标准钻杆螺纹和油、套管螺纹的工作，并且通过了API 认证，我们还自行设计了拥有独立产权的BHT 特殊螺纹。公司检验设备精良、齐全，检验员均通过了API 一级检验员考试，检验认真细腻，经验丰富。可以说我们在螺纹加工方面具有丰富的经验。为了保证加工精度和质量，我们在加工时采用先进的数控车床，以提高加工精度，在加工过程中增加阶段检验的程序，严格地控制每道工序。