水平钻机试验系统泥浆管线的静水压试验

毕群泗，刘金荣，杨华庆，张新宇，陈 磊，王 东，王新有

（1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；2．青海油田公司机械厂，甘肃敦煌736202）

水平钻机试验系统泥浆管线的静水压试验

毕群泗1，刘金荣1，杨华庆2，张新宇1，陈 磊1，王 东1，王新有1

（1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；2．青海油田公司机械厂，甘肃敦煌736202）

为水平钻机的模拟试验系统设计了泥浆循环管线，由Ø114．3mm（4英寸）X70型管线钢管通过油壬连接，总长约3 122m。根据AISPEC6A标准进行静水压试验，试验压力38．5mPa，分段进行试验。介绍了试验方法和安全要求。试验结果表明该管线达到了设计要求。

泥浆；管线；静水压试验

某水平钻机的模拟试验系统包括供液泥浆泵机组及埋置于室外地下的循环管线等。循环管线（或称泥浆管线）是关键部件之一，按照A PI SPE C 6 A标准的要求，需进行静水压试验。由于该管线较长，试验压力高，对试验过程的安全要求较高。本文介绍了该管线的静水压试验系统的组成、试验要求和方法，并提出了安全要求，为顺利进行管线的压力试验提供技术指导。

1 管线简介及试压要求

该循环管线采用X70型管线钢管［1］，规格为Ø114．3mm（4英寸），总长约为3 122m，分为7段，通过油壬连接。为了方便布置管线，中间部位设计成周长约为444m的盘管形，共绕7圈。为了测试该管线的安装密封质量，对7段管道按序依次进行密封试验，经检查该管道的焊接、安装符合设计规范要求。为了测试该管线的耐压能力，分段进行静水压试验。在进行压力试验前，加工所需的接头［2］，与被试管段的连接如图1所示。

图1 管段试压连接结构

Ø114．3mm（4英寸）X70管线钢管试压技术参数：

5 结语

海洋钻井平台井控系统设计属于钻井模块设计的一部分，系统设计在满足自身的功能需求的前提下，还需考虑与船体、轮机、内、外舾等各专业的相互配合。同时还应结合船东的意见和操作习惯，综合设计。

井控装备的匹配在设计前除参考行业标准及有关要求外，还应结合各地区实际情况和单井的特殊性进行设计，尽量满足不同海域、不同环境、不同地层和不同井深的作业要求，综合提升平台的性能。

［1］ 冯利杰，张福，马永新，等．岩屑处理装置在DSJ300-1海洋钻井平台上的应用［J］．石油机械，2013，41（3）：77-79

［2］ 董庆辉．海洋钻井泥浆系统研究［J］．中国造船，2009，50（增刊）：982-990．

［3］ 石油天然气井下作业井控编写组．石油天然气井下作业井控［m］北京：石油工业出版社，2008．

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［5］ 中国石油集团公司井控培训教材编写组．钻井井控设备［m］．东营：中国石油大学出版社，2009．试验标准

S Y5260—1991，压裂管汇；APISPEC6A

最大工作压力35mPa

最大试验压力［3］38．5mPa

管汇通径Ø80mm

试验介质［4］清水

2 静水压试验方法及操作步骤

电动试压泵型号为4D S Y-15／80。试验水源来自城市供水管网。管道灌水应从注入端缓慢灌入，使管道内气体自然从管道末端排除。为使灌注后不产生滞留气体，将每段管的末段抬高100mm，以利于排气，排气完毕后用堵头将末端堵死。

2．1 试验方法

管线的设计工作压力为35mPa，按照APISPEC6A标准进行压力试验，试验压力为设计压力的1．1倍，即38．5mPa，保压15min。进行静水压试验前，先将堵头（或法兰）与试压钢管相连，在确认连接牢固，能保证密封后，使用普通水管连接在高压软管接头上进行注水。当被试管道内注满水并排出空气后，将试压泵出口软管与高压软管接头连接，启动试压泵进行压力试验。试验过程严格按照APISPEC6A标准要求进行。试验结束，用试压泵上的卸荷阀进行卸荷，当压力降为零压后，拆卸两端堵头，完成管段的静水压试验。

试验时应分级加压（每级增加10mPa），保压15min。每升压一级应检查管体及接口，当无异常现象时再继续升压，将水压升至试验压力后，保压15min压降小于1．7mPa，检查接口、管身无破损、无变形、无漏水、无冒汗等现象，视为合格。

2．2 卸压要求

管线系统加压、保压结束后，拧开试压泵的卸压阀进行卸压，要控制卸压时间、压力下降要柔和，以免损坏试压泵。卸压时采用分级降压，初级压力为35mPa，后级依次每级降10mPa，每级保压时间为5min。

2．3 试压安全技术要求

1） 为防止试验过程中发生事故，试验管线或部件必须安装在地坑内进行试验，试验地坑周围禁止站人。其他人员在被试管线或部件带压的情况下不得进入地坑进行观察和操作。

2） 试验时分级加压（级差10mPa），每升压一级应对管道节点、接口、支座等外观进行认真的检查，无异常现象时再继续升压。

3） 当水压试验进行时，禁止对管体、管体接口进行外力的敲打或对暴露缺陷的钢管进行修补，严禁带压工作。若试验过程中发现管体存在缺陷，应作好标记，待整体泻压后再进行维护，缺陷解决后方可重新进行试压。

3 试验结果分析

Ø114．3mm（4英寸）X70型管线钢管的静水压试验数据如表1，其中记录了加压过程中所发生的问题。可见环境的温度对试验产生了很大的影响，试验应选择环境温度变化不大时进行。管线材料的强度试验是合格的，密封性试验也是合格的。对比有限元数据（本文省略过程）分析，该管线的应力变化等满足要求，其位移量的变化对该管线无影响。X70型管线钢的纵向屈强比低于0．69，最小屈服强度为478mPa，均匀变形伸长率大于11%，断后伸长率大于27．5%，具有良好的均匀变形能力［8］。

表1 Ø114．3mm（4英寸）X70管线钢管静水压试验数据

4 影响管线承载能力的因素分析

4．1 管道承受的载荷及其应力状态［5］

1） 压力载荷。该循环管道承受内压，设计压力按照GB50316规定要求确定。内压管道在管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。

2） 固有外载荷。固有的外载荷包括管道本身所具有的载荷（例如管体及连接体的重力、管内流体介质或管外保温材料的重力）、支吊架的反作用力等。持续外载荷可使管道产生弯曲应力、扭转应力、纵向应力和剪应力。

压力载荷和固有外载荷在管道上产生的应力属于一次应力，具有非自限性的特征，即应力随着载荷的增大而增大，当管道产生塑性变形时，其载荷并未变化。

3） 温度变化产生变形。管道安装后进行工作，由于管道内介质的温度变化，使管道产生膨胀或缩小的变形。与工作部件相连的管道，由于工作部件在工作过程中产生的温度变化而使相连接的管道产生位移变化，该种位移也会使得管道发生变形。以上由于温度变化导致管道受到扭转变形、弯曲变形、拉伸变形和剪切变形等而产生应力。这种应力属于二次应力，具有自限性的特征，即当局部的总应力值超过材料的屈服极限，产生轻微的塑性变形，其所受应力会重新分布，不再成比例地增加，从而限定在某一范围之内；当温度恢复到原始状态时，则会产生反方向的应力。因此，在持续载荷和循环载荷（交变的温度变化产生变形等）的联合作用下管道中可能会出现渐增的或累积的塑性变形，导致结构失去稳定性或因疲劳而破坏。

4．2 管道许用应力与应力校核条件

管道应力校核的原则是：在外载荷作用下管道中所产生的周向和纵向一次应力值不得超过相应的许用值；由热胀和端点位移引起的二次应力则采用许用应力范围来判断。

由于钢管截面并非理论上的圆形，及管道弯头对流体的流向产生影响，流体的流向应该缓慢的变化，尽可能减少由于流体流动方向变化造成的冲击。

在高压条件下，由于内压作用在钢管表面所引起的径向应力明显地影响到管子内壁符合米西斯（V onmises）或屈雷斯卡（Tresca）理论的材料屈服强度［6］。对于连续载荷作用力下一次应力满足的校核条件［7-9］在G B 50316（其参照了A SmE B31．3中的规定）中作了如下规定。

1） 管道及其组成件其厚度及所需补强计算在满足要求时，由内压的作用所产生的应力是安全的。

2） 管道及其组成件其厚度及所需稳定性在满足要求时，由外压的作用所产生的应力是安全的。

3） 在管道中由压力、各种重力及其他连续载荷作用产生的纵向的应力之和σL，不能超过该种材料在设计最高温度条件下的许用应力［σ］h，即

5 结语

该管线是为模拟水平钻机在井下作业时的工作环境而设计的，密封性能试验和静水压强度试验可以保障该系统的安全性，为下一步的动密封试验打下扎实的基础。管线的安装、焊接都严格按照相应的标准规范执行。由于持续试验时间长，环境温度的变化对管内压力有影响，应选择环境温度变化小的时段进行试验。从试验数据与现场数据对比可知该试验方法是可行的。该系统的研制成功为井下工具的模拟试验起到重要作用。

基于本研究，笔者认为利用遥感影像数据和夜间灯光指数研究人口空间分布现状的技术较为成熟，也被大多数的学者所广泛采用。但运用此技术研究普遍居住在山区的客家人口空间分布过程中，由于受到山区中的地形、植被等因素的影响，精度会受到一定的影响。从高程、坡度、坡向等地理因子方面探究梅县区客家人口的分布成因的分析方法也较为合理，但在哪些因子对客家人口的分布影响较大，因子的权重系数大小如何设置是今后需要深入探究。梅县区是广东典型的客家人聚集的地区，通过对梅县区的客家人口分布研究，为广东省有关客家人的研究提供的借鉴。

［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，压裂管汇［S］．

［5］ 岳进才．压力管道技术［m］．北京：中国石化出版社，2001．

［7］ 于浦义，张德姜，唐永进．石油化工压力管道设计手册［K］．北京：化学工业出版社，2007．

［8］ 徐岩．石油化工装备成套技术［m］．北京：中国石化出版社，2010．

［9］ 陈凯，晏利君，刘宇，等．X70大变形管线钢管的组织和性能［J］．机械工程材料，2013，37（9）：21-24．

T E933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．021

2015-02-10

毕群泗（1980-），男，山东莱芜人，工程师，2005年毕业于长江大学机械设计与制造专业，从事石油机械的研制工作，E-mail：biqs＠qq．com。