畢群泗，劉金榮，楊華慶，張新宇，陳 磊，王 東，王新有

（1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．青海油田公司機(jī)械廠，甘肅敦煌736202）

水平鉆機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)泥漿管線的靜水壓試驗(yàn)

畢群泗1，劉金榮1，楊華慶2，張新宇1，陳 磊1，王 東1，王新有1

（1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．青海油田公司機(jī)械廠，甘肅敦煌736202）

為水平鉆機(jī)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了泥漿循環(huán)管線，由?114．3mm（4英寸）X70型管線鋼管通過(guò)油壬連接，總長(zhǎng)約3 122m。根據(jù)AISPEC6A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力38．5mPa，分段進(jìn)行試驗(yàn)。介紹了試驗(yàn)方法和安全要求。試驗(yàn)結(jié)果表明該管線達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

泥漿；管線；靜水壓試驗(yàn)

某水平鉆機(jī)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括供液泥漿泵機(jī)組及埋置于室外地下的循環(huán)管線等。循環(huán)管線（或稱泥漿管線）是關(guān)鍵部件之一，按照A PI SPE C 6 A標(biāo)準(zhǔn)的要求，需進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。由于該管線較長(zhǎng)，試驗(yàn)壓力高，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的安全要求較高。本文介紹了該管線的靜水壓試驗(yàn)系統(tǒng)的組成、試驗(yàn)要求和方法，并提出了安全要求，為順利進(jìn)行管線的壓力試驗(yàn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 管線簡(jiǎn)介及試壓要求

該循環(huán)管線采用X70型管線鋼管［1］，規(guī)格為?114．3mm（4英寸），總長(zhǎng)約為3 122m，分為7段，通過(guò)油壬連接。為了方便布置管線，中間部位設(shè)計(jì)成周長(zhǎng)約為444m的盤(pán)管形，共繞7圈。為了測(cè)試該管線的安裝密封質(zhì)量，對(duì)7段管道按序依次進(jìn)行密封試驗(yàn)，經(jīng)檢查該管道的焊接、安裝符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。為了測(cè)試該管線的耐壓能力，分段進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。在進(jìn)行壓力試驗(yàn)前，加工所需的接頭［2］，與被試管段的連接如圖1所示。

圖1 管段試壓連接結(jié)構(gòu)

?114．3mm（4英寸）X70管線鋼管試壓技術(shù)參數(shù)：

5 結(jié)語(yǔ)

海洋鉆井平臺(tái)井控系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于鉆井模塊設(shè)計(jì)的一部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足自身的功能需求的前提下，還需考慮與船體、輪機(jī)、內(nèi)、外舾等各專業(yè)的相互配合。同時(shí)還應(yīng)結(jié)合船東的意見(jiàn)和操作習(xí)慣，綜合設(shè)計(jì)。

井控裝備的匹配在設(shè)計(jì)前除參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)要求外，還應(yīng)結(jié)合各地區(qū)實(shí)際情況和單井的特殊性進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量滿足不同海域、不同環(huán)境、不同地層和不同井深的作業(yè)要求，綜合提升平臺(tái)的性能。

［1］ 馮利杰，張福，馬永新，等．巖屑處理裝置在DSJ300-1海洋鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2013，41（3）：77-79

［2］ 董慶輝．海洋鉆井泥漿系統(tǒng)研究［J］．中國(guó)造船，2009，50（增刊）：982-990．

［3］ 石油天然氣井下作業(yè)井控編寫(xiě)組．石油天然氣井下作業(yè)井控［m］北京：石油工業(yè)出版社，2008．

［4］ A PI Spec 16D，Pipeline Valves（Steel Gate，Plug，Ball，and Check Valves）［S］．1993．

［5］ 中國(guó)石油集團(tuán)公司井控培訓(xùn)教材編寫(xiě)組．鉆井井控設(shè)備［m］．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2009．試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

S Y5260—1991，壓裂管匯；APISPEC6A

最大工作壓力35mPa

最大試驗(yàn)壓力［3］38．5mPa

管匯通徑?80mm

試驗(yàn)介質(zhì)［4］清水

2 靜水壓試驗(yàn)方法及操作步驟

電動(dòng)試壓泵型號(hào)為4D S Y-15／80。試驗(yàn)水源來(lái)自城市供水管網(wǎng)。管道灌水應(yīng)從注入端緩慢灌入，使管道內(nèi)氣體自然從管道末端排除。為使灌注后不產(chǎn)生滯留氣體，將每段管的末段抬高100mm，以利于排氣，排氣完畢后用堵頭將末端堵死。

2．1 試驗(yàn)方法

管線的設(shè)計(jì)工作壓力為35mPa，按照APISPEC6A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1．1倍，即38．5mPa，保壓15min。進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)前，先將堵頭（或法蘭）與試壓鋼管相連，在確認(rèn)連接牢固，能保證密封后，使用普通水管連接在高壓軟管接頭上進(jìn)行注水。當(dāng)被試管道內(nèi)注滿水并排出空氣后，將試壓泵出口軟管與高壓軟管接頭連接，啟動(dòng)試壓泵進(jìn)行壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照APISPEC6A標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束，用試壓泵上的卸荷閥進(jìn)行卸荷，當(dāng)壓力降為零壓后，拆卸兩端堵頭，完成管段的靜水壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)分級(jí)加壓（每級(jí)增加10mPa），保壓15min。每升壓一級(jí)應(yīng)檢查管體及接口，當(dāng)無(wú)異?，F(xiàn)象時(shí)再繼續(xù)升壓，將水壓升至試驗(yàn)壓力后，保壓15min壓降小于1．7mPa，檢查接口、管身無(wú)破損、無(wú)變形、無(wú)漏水、無(wú)冒汗等現(xiàn)象，視為合格。

2．2 卸壓要求

管線系統(tǒng)加壓、保壓結(jié)束后，擰開(kāi)試壓泵的卸壓閥進(jìn)行卸壓，要控制卸壓時(shí)間、壓力下降要柔和，以免損壞試壓泵。卸壓時(shí)采用分級(jí)降壓，初級(jí)壓力為35mPa，后級(jí)依次每級(jí)降10mPa，每級(jí)保壓時(shí)間為5min。

2．3 試壓安全技術(shù)要求

1） 為防止試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生事故，試驗(yàn)管線或部件必須安裝在地坑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地坑周圍禁止站人。其他人員在被試管線或部件帶壓的情況下不得進(jìn)入地坑進(jìn)行觀察和操作。

2） 試驗(yàn)時(shí)分級(jí)加壓（級(jí)差10mPa），每升壓一級(jí)應(yīng)對(duì)管道節(jié)點(diǎn)、接口、支座等外觀進(jìn)行認(rèn)真的檢查，無(wú)異?，F(xiàn)象時(shí)再繼續(xù)升壓。

3） 當(dāng)水壓試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，禁止對(duì)管體、管體接口進(jìn)行外力的敲打或?qū)Ρ┞度毕莸匿摴苓M(jìn)行修補(bǔ)，嚴(yán)禁帶壓工作。若試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管體存在缺陷，應(yīng)作好標(biāo)記，待整體瀉壓后再進(jìn)行維護(hù)，缺陷解決后方可重新進(jìn)行試壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

?114．3mm（4英寸）X70型管線鋼管的靜水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，其中記錄了加壓過(guò)程中所發(fā)生的問(wèn)題?？梢?jiàn)環(huán)境的溫度對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生了很大的影響，試驗(yàn)應(yīng)選擇環(huán)境溫度變化不大時(shí)進(jìn)行。管線材料的強(qiáng)度試驗(yàn)是合格的，密封性試驗(yàn)也是合格的。對(duì)比有限元數(shù)據(jù)（本文省略過(guò)程）分析，該管線的應(yīng)力變化等滿足要求，其位移量的變化對(duì)該管線無(wú)影響。X70型管線鋼的縱向屈強(qiáng)比低于0．69，最小屈服強(qiáng)度為478mPa，均勻變形伸長(zhǎng)率大于11%，斷后伸長(zhǎng)率大于27．5%，具有良好的均勻變形能力［8］。

表1 ?114．3mm（4英寸）X70管線鋼管靜水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 影響管線承載能力的因素分析

4．1 管道承受的載荷及其應(yīng)力狀態(tài)［5］

1） 壓力載荷。該循環(huán)管道承受內(nèi)壓，設(shè)計(jì)壓力按照GB50316規(guī)定要求確定。內(nèi)壓管道在管壁上產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力。

2） 固有外載荷。固有的外載荷包括管道本身所具有的載荷（例如管體及連接體的重力、管內(nèi)流體介質(zhì)或管外保溫材料的重力）、支吊架的反作用力等。持續(xù)外載荷可使管道產(chǎn)生彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力。

壓力載荷和固有外載荷在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，具有非自限性的特征，即應(yīng)力隨著載荷的增大而增大，當(dāng)管道產(chǎn)生塑性變形時(shí)，其載荷并未變化。

3） 溫度變化產(chǎn)生變形。管道安裝后進(jìn)行工作，由于管道內(nèi)介質(zhì)的溫度變化，使管道產(chǎn)生膨脹或縮小的變形。與工作部件相連的管道，由于工作部件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化而使相連接的管道產(chǎn)生位移變化，該種位移也會(huì)使得管道發(fā)生變形。以上由于溫度變化導(dǎo)致管道受到扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、拉伸變形和剪切變形等而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，具有自限性的特征，即當(dāng)局部的總應(yīng)力值超過(guò)材料的屈服極限，產(chǎn)生輕微的塑性變形，其所受應(yīng)力會(huì)重新分布，不再成比例地增加，從而限定在某一范圍之內(nèi)；當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生反方向的應(yīng)力。因此，在持續(xù)載荷和循環(huán)載荷（交變的溫度變化產(chǎn)生變形等）的聯(lián)合作用下管道中可能會(huì)出現(xiàn)漸增的或累積的塑性變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性或因疲勞而破壞。

4．2 管道許用應(yīng)力與應(yīng)力校核條件

管道應(yīng)力校核的原則是：在外載荷作用下管道中所產(chǎn)生的周向和縱向一次應(yīng)力值不得超過(guò)相應(yīng)的許用值；由熱脹和端點(diǎn)位移引起的二次應(yīng)力則采用許用應(yīng)力范圍來(lái)判斷。

由于鋼管截面并非理論上的圓形，及管道彎頭對(duì)流體的流向產(chǎn)生影響，流體的流向應(yīng)該緩慢的變化，盡可能減少由于流體流動(dòng)方向變化造成的沖擊。

在高壓條件下，由于內(nèi)壓作用在鋼管表面所引起的徑向應(yīng)力明顯地影響到管子內(nèi)壁符合米西斯（V onmises）或屈雷斯卡（Tresca）理論的材料屈服強(qiáng)度［6］。對(duì)于連續(xù)載荷作用力下一次應(yīng)力滿足的校核條件［7-9］在G B 50316（其參照了A SmE B31．3中的規(guī)定）中作了如下規(guī)定。

1） 管道及其組成件其厚度及所需補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算在滿足要求時(shí)，由內(nèi)壓的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

2） 管道及其組成件其厚度及所需穩(wěn)定性在滿足要求時(shí)，由外壓的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的。

3） 在管道中由壓力、各種重力及其他連續(xù)載荷作用產(chǎn)生的縱向的應(yīng)力之和σL，不能超過(guò)該種材料在設(shè)計(jì)最高溫度條件下的許用應(yīng)力［σ］h，即

5 結(jié)語(yǔ)

該管線是為模擬水平鉆機(jī)在井下作業(yè)時(shí)的工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的，密封性能試驗(yàn)和靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以保障該系統(tǒng)的安全性，為下一步的動(dòng)密封試驗(yàn)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。管線的安裝、焊接都嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。由于持續(xù)試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境溫度的變化對(duì)管內(nèi)壓力有影響，應(yīng)選擇環(huán)境溫度變化小的時(shí)段進(jìn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知該試驗(yàn)方法是可行的。該系統(tǒng)的研制成功為井下工具的模擬試驗(yàn)起到重要作用。

基于本研究，筆者認(rèn)為利用遙感影像數(shù)據(jù)和夜間燈光指數(shù)研究人口空間分布現(xiàn)狀的技術(shù)較為成熟，也被大多數(shù)的學(xué)者所廣泛采用。但運(yùn)用此技術(shù)研究普遍居住在山區(qū)的客家人口空間分布過(guò)程中，由于受到山區(qū)中的地形、植被等因素的影響，精度會(huì)受到一定的影響。從高程、坡度、坡向等地理因子方面探究梅縣區(qū)客家人口的分布成因的分析方法也較為合理，但在哪些因子對(duì)客家人口的分布影響較大，因子的權(quán)重系數(shù)大小如何設(shè)置是今后需要深入探究。梅縣區(qū)是廣東典型的客家人聚集的地區(qū)，通過(guò)對(duì)梅縣區(qū)的客家人口分布研究，為廣東省有關(guān)客家人的研究提供的借鑒。

［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，壓裂管匯［S］．

［5］ 岳進(jìn)才．壓力管道技術(shù)［m］．北京：中國(guó)石化出版社，2001．

［7］ 于浦義，張德姜，唐永進(jìn)．石油化工壓力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

［8］ 徐巖．石油化工裝備成套技術(shù)［m］．北京：中國(guó)石化出版社，2010．

［9］ 陳凱，晏利君，劉宇，等．X70大變形管線鋼管的組織和性能［J］．機(jī)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

畢群泗（1980-），男，山東萊蕪人，工程師，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，從事石油機(jī)械的研制工作，E-mail：biqs＠qq．com。