在役高压管汇失效分析及检测方案实施

李建刚

1.荆州市世纪派创石油机械检测有限公司 （湖北 荆州 434024）

2.中石化四机石油机械有限公司 （湖北 荆州 434024）

高压管汇的主要部件包括旋塞阀、单向阀、活动弯头、整体接头、刚性直管等，重点应用于石油工程固井、压裂及地面测试。高压管汇总成按功能分为：①泵排出管汇，安装在压裂泵排出口，用于高压流体的排出；②泵安全管汇，安装在压裂泵排出口，用于压力检测和泄压；③高低压管汇撬，用于供给泵车低压流体和汇集泵车排出的高压流体；④分流管汇，用于高低压管汇撬和多井口的连接与高压流体的分流；⑤压裂井口，用于井口的开关与压裂高压管路的接入。高压管汇一般额定工作压力能达到35～140 MPa，因其工作压力高，一旦出现管汇爆裂，轻则碎片飞溅，损坏设备，造成长时间停机，影响施工作业进度，重则造成人员伤亡[1]。因此，各施工作业队均高度重视高压管汇的产品质量，一般情况下对高压管汇进行定期检测，检测周期根据使用次数和使用工况来确定，以避免缺陷产品上井使用。

1 在役高压管汇失效原因分析

高压管汇因其部件种类多，失效形式及原因多种多样，下面对几种常见的失效案例进行分析。

1.1 弯头冲蚀磨损

从已失效破坏的高压管汇可以看出，冲蚀及磨损的主要部位是弯头的外拱内壁处及靠近弯头的附近部位，如图1所示。冲蚀部位呈现出条纹、沟洼及麻坑，通过测厚可发现冲蚀部位明显减薄[2]。

图1 弯头冲蚀磨损

弯头表面的冲蚀磨损主要是机械力造成的。裂液中的砂粒具有很高的硬度，其硬度甚至超过管汇材质硬度，在运动过程中对金属材质表面造成微切削及塑性变形。另外，压裂液在柱塞泵往复式推力作用下，形成脉动反复循环力，在各种因素的共同作用下，弯头表面产生沟洼，甚至孔洞和裂纹。通过有限元流体分析，高压弯管的最大冲蚀磨损率与平均磨损率，随着压裂液流量和砂粒浓度的增加而增加，随着管汇内壁直径的增大而减小。流场的最大压力区分布在弯头的外拱内壁区域，同时该区域的疲劳寿命次数最低[3]。

1.2 由壬连接接头断裂

由壬连接接头的断裂部位大多位于由壬圈中的母头螺纹处，裂纹源从螺纹底部过渡部位沿径向向内部扩展，如图2、图3所示。

图2 由壬连接接头断裂

图3 齿根R部位裂纹形貌

机械加工缺陷和热处理不当是导致由壬接头断裂的主要原因。在机械加工过程中齿根过渡部位的R圆弧过渡较小，易在该部位形成应力集中区域，如图3所示，在应力集中部位形成裂纹，当裂纹扩展到一定程度时就会发生断裂现象。另外，调质处理的回火温度过低，会造成材料的硬度偏高，若实际断口为脆性断口，可能是由于形成了第一类回火脆性，增大了工件脆性开裂的危险性。

1.3 内壁腐蚀

高压管汇处于高温、高压、高含硫化氢等苛刻环境中工作，而且管道因迂回转折引起巨大拉压应力，极易产生腐蚀坑[4]，如图4所示。

图4 内壁腐蚀

腐蚀失效为塑性失效，即认为腐蚀缺陷区的等效应力达到屈服极限后管线失效。腐蚀分为均匀腐蚀和局部腐蚀两类，均匀腐蚀区的等效应力随缺陷长度和深度的增加而增加，局部腐蚀区的等效应力随腐蚀深度的增加而增加，随半径的增加而减小。

1.4 活动弯头断裂

活动弯头断裂事故如图5所示，通过对失效产品进行机械性能检测，发现机械性能不合格，低温冲击韧性平均值低于API 6A规定的值，导致产品脆性大、韧性差。另外对内壁裂纹部位进行金相分析，发现材料有夹渣，如图6所示，金相组织不均匀，原材料不合格，材料中有害元素P、S含量很高，材料组织致密度差，导致产品快速失效。通过对失效产品进行毛坯剖切，发现毛坯内表面有伤痕，如图7所示，内壁大面积拉伤，可能是在煨弯过程中芯轴拉伤所致，这种缺陷必定导致应力集中。

图5 活动弯头断裂

图6 夹渣

图7 毛坯剖切

1.5 歧管接头断裂

高压管汇撬歧管接头多次断裂，如图8所示。主要原因是撬架设计不合理，旋塞阀没有固定，带动整个管线上下振动，使歧管接头母由壬端迅速疲劳断裂。应该对整个系统进行振动分析，对结构优化设计，固定各个零部件。

1.6 活动弯头、活动关节刺漏

活动弯头、活动关节处密封性能差会导致刺漏现象产生。其失效原因，可能密封件存在质量问题，非金属材料不耐酸，也可能弯头零件最终热处理后没有进行精加工，热处理变形没有消除，导致球道直径方向变形，装配后的内外接头存在挤压应力。热处理后的变形导致密封端面平面度过大，配合零件端面不平行，从而导致密封失效。

1.7 歧管刺漏

对某歧管进行试压时，发现歧管刺水，压力下降，刺水部位出现在分模面处，如图9所示。对失效零件内孔进行荧光磁粉探伤，发现内壁出现多条纵向裂纹。歧管接头在热处理前，对内孔相贯线处尖锐部分没有倒圆，造成热处理应力集中，尖角处出现微裂纹。要求在制造加工时对尖角进行打磨。

1.8 旋塞阀公由壬端刺漏

对失效零件表面进行荧光磁粉探伤，发现轴颈处根部有环状裂纹，如图10所示，裂纹由外向内进行扩张，裂纹为应力裂纹。低温冲击韧性远低于API 6A规定，机械性能不合格，导致产品脆性大、韧性差。

图8 歧管接头断裂

图9 歧管刺漏

图10 旋塞阀公由壬端刺漏

1.9 管汇内壁裂纹

通过荧光磁粉检测，发现弯头和直管内壁存在裂纹，如图11所示。主要原因是管汇长期阶段性循环施压，应力集中，金属疲劳所致。

图11 管汇内壁裂纹

2 在役高压管汇检测方案

在上述高压管汇失效分析中提到的很多缺陷都可通过定期检测提前发现并预防，故有必要制定适合现场的检测方案以确保管汇的使用可靠性。检维修流程如图12所示，其中需要注意的地方，壁厚检测应严格按照SY/T 6270—2012标准[5]的要求，对测厚部位进行检测，用超声波测厚仪检测危险截面的壁厚（在规定的检测区域，取4点进行检测），如果壁厚值小于使用壁厚极限推荐值，则报废。活动弯头必须采用荧光磁粉检测，其他的采用磁轭检测，磁粉检测重点部位为公母由壬接头处。产品检测合格后进行组装，组装后按SY/T 6270—2012标准进行静水压试验，试压的同时做声发射检测，如图13所示。试压机上有数显表的必须用数显表，没有数显表的配置直显表，试压不合格的产品进行拆解，维修后再进行试压。单项检测结果的判定严格按照标准进行，检测项目有一项不合格且无法整改，则该高压管汇元件判定为不合格，其他检测项目可不再进行检测。

图12 高压管汇检维修流程图

声发射检测技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术[6]。在外加载荷的条件下，材料中局域源快速释放能量，产生瞬态弹性波的声发射信号，利用传感器接收声发射信号、信号处理分析后，利用声发射信号推断声发射源的技术。将声发射检测技术应用于高压管汇检测中，弥补了磁粉探伤仅能检测近表面缺陷的不足，提高了管汇内部缺陷检出率。人员资质方面，操作人员需具有丰富的判断经验，做到持证上岗，取得中国特种设备协会颁发的声发射检测证书。

图13 高压管汇声发射检测

结合检测工艺流程，需要配置的主要检测和试验设备包括：电磁轭、荧光磁粉探伤机、测厚仪、硬度计、手持式光谱仪、声发射检测仪、内窥镜、试压机、维修钳台、液压手动推车及相关辅助设备等。

运作模式方面，采用基地加移动检测相结合的一体化解决模式。对于工作量大且稳定的业务，优先考虑在基地进行检维修。对于压裂作业现场需要临时检维修的，则采用移动式检测服务车，以贴近施工现场开展检测服务。

移动式检测服务车配置有250 MPa静水压试验装置、荧光磁粉探伤机、声发射检测装置等必备检测仪器，具有机动性强、综合服务能力强和可靠性高等优势。首先，其很好地解决了无法进行集中检测的难题；其次，可将只能在实验室开展的检测项目带到作业现场；再次，具备检测兼修理能力，对部分缺陷进行现场修理，对检测合格的产品开展维护保养，试验合格后马上投入使用。对检测不合格的产品修旧利废，超过使用寿命的进行降级或报废处理。

3 在役高压管汇检测实施案例

以某检测公司涪陵基地为例，该基地可同时满足涪陵工区所有压裂施工单位高压管汇的周期性检测。2017年该基地检测高压管汇2万件，管汇最高额定工作压力达140 MPa，平均连续压裂时长3 h，最大排量17 m3，发现并排除质量隐患1 000余处。该检测公司建立了人员岗位责任制和安全生产规章制度，检测工艺经受住了工区恶劣工况的严峻考验，所检测的产品在有效期内故障率大大降低，2017年未发生一起安全事故，有力地保障了涪陵页岩气田的安全生产。配置的移动式检测服务车在1个月内可完成20多个检测点，2 500 km里程的3 000多件产品的检维修。

根据页岩气井压裂施工的特定需求，结合生产单位的管理现状，该检测公司与生产单位共同起草并建立了企业标准《页岩气井压裂施工高压管汇使用、维护及检测管理规范》，通过该标准可实现：①提升生产单位现场高压管汇管理水平，规范管理流程，便于领导决策；②指导压裂施工，避免不合理操作，降低安全事故风险；③明确高压管汇判废、降级使用的条件，为库存管理提供数据支撑；④规范检测流程，严格按照行业标准执行。

4 结论

通过对高压管汇几种常见的失效案例分析，指出定期检测的必要性。在役高压管汇检测参照相关标准和检维修流程执行，声发射检测技术弥补了磁粉探伤仅能检测近表面缺陷的不足。移动式检测服务车具有机动性强、综合服务能力强和可靠性高等优势，可开展贴近施工现场的检测服务。以某检测公司涪陵基地为例，检测工艺经受住了工区恶劣工况的严峻考验，所检测的产品在有效期内故障率大大降低，有力地保障了生产安全。