李建剛

1.荊州市世紀(jì)派創(chuàng)石油機(jī)械檢測有限公司 （湖北 荊州 434024）

2.中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 （湖北 荊州 434024）

高壓管匯的主要部件包括旋塞閥、單向閥、活動彎頭、整體接頭、剛性直管等，重點應(yīng)用于石油工程固井、壓裂及地面測試。高壓管匯總成按功能分為：①泵排出管匯，安裝在壓裂泵排出口，用于高壓流體的排出；②泵安全管匯，安裝在壓裂泵排出口，用于壓力檢測和泄壓；③高低壓管匯撬，用于供給泵車低壓流體和匯集泵車排出的高壓流體；④分流管匯，用于高低壓管匯撬和多井口的連接與高壓流體的分流；⑤壓裂井口，用于井口的開關(guān)與壓裂高壓管路的接入。高壓管匯一般額定工作壓力能達(dá)到35～140 MPa，因其工作壓力高，一旦出現(xiàn)管匯爆裂，輕則碎片飛濺，損壞設(shè)備，造成長時間停機(jī)，影響施工作業(yè)進(jìn)度，重則造成人員傷亡[1]。因此，各施工作業(yè)隊均高度重視高壓管匯的產(chǎn)品質(zhì)量，一般情況下對高壓管匯進(jìn)行定期檢測，檢測周期根據(jù)使用次數(shù)和使用工況來確定，以避免缺陷產(chǎn)品上井使用。

1 在役高壓管匯失效原因分析

高壓管匯因其部件種類多，失效形式及原因多種多樣，下面對幾種常見的失效案例進(jìn)行分析。

1.1 彎頭沖蝕磨損

從已失效破壞的高壓管匯可以看出，沖蝕及磨損的主要部位是彎頭的外拱內(nèi)壁處及靠近彎頭的附近部位，如圖1所示。沖蝕部位呈現(xiàn)出條紋、溝洼及麻坑，通過測厚可發(fā)現(xiàn)沖蝕部位明顯減薄[2]。

圖1 彎頭沖蝕磨損

彎頭表面的沖蝕磨損主要是機(jī)械力造成的。裂液中的砂粒具有很高的硬度，其硬度甚至超過管匯材質(zhì)硬度，在運動過程中對金屬材質(zhì)表面造成微切削及塑性變形。另外，壓裂液在柱塞泵往復(fù)式推力作用下，形成脈動反復(fù)循環(huán)力，在各種因素的共同作用下，彎頭表面產(chǎn)生溝洼，甚至孔洞和裂紋。通過有限元流體分析，高壓彎管的最大沖蝕磨損率與平均磨損率，隨著壓裂液流量和砂粒濃度的增加而增加，隨著管匯內(nèi)壁直徑的增大而減小。流場的最大壓力區(qū)分布在彎頭的外拱內(nèi)壁區(qū)域，同時該區(qū)域的疲勞壽命次數(shù)最低[3]。

1.2 由壬連接接頭斷裂

由壬連接接頭的斷裂部位大多位于由壬圈中的母頭螺紋處，裂紋源從螺紋底部過渡部位沿徑向向內(nèi)部擴(kuò)展，如圖2、圖3所示。

圖2 由壬連接接頭斷裂

圖3 齒根R部位裂紋形貌

機(jī)械加工缺陷和熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致由壬接頭斷裂的主要原因。在機(jī)械加工過程中齒根過渡部位的R圓弧過渡較小，易在該部位形成應(yīng)力集中區(qū)域，如圖3所示，在應(yīng)力集中部位形成裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時就會發(fā)生斷裂現(xiàn)象。另外，調(diào)質(zhì)處理的回火溫度過低，會造成材料的硬度偏高，若實際斷口為脆性斷口，可能是由于形成了第一類回火脆性，增大了工件脆性開裂的危險性。

1.3 內(nèi)壁腐蝕

高壓管匯處于高溫、高壓、高含硫化氫等苛刻環(huán)境中工作，而且管道因迂回轉(zhuǎn)折引起巨大拉壓應(yīng)力，極易產(chǎn)生腐蝕坑[4]，如圖4所示。

圖4 內(nèi)壁腐蝕

腐蝕失效為塑性失效，即認(rèn)為腐蝕缺陷區(qū)的等效應(yīng)力達(dá)到屈服極限后管線失效。腐蝕分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩類，均勻腐蝕區(qū)的等效應(yīng)力隨缺陷長度和深度的增加而增加，局部腐蝕區(qū)的等效應(yīng)力隨腐蝕深度的增加而增加，隨半徑的增加而減小。

1.4 活動彎頭斷裂

活動彎頭斷裂事故如圖5所示，通過對失效產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械性能檢測，發(fā)現(xiàn)機(jī)械性能不合格，低溫沖擊韌性平均值低于API 6A規(guī)定的值，導(dǎo)致產(chǎn)品脆性大、韌性差。另外對內(nèi)壁裂紋部位進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)材料有夾渣，如圖6所示，金相組織不均勻，原材料不合格，材料中有害元素P、S含量很高，材料組織致密度差，導(dǎo)致產(chǎn)品快速失效。通過對失效產(chǎn)品進(jìn)行毛坯剖切，發(fā)現(xiàn)毛坯內(nèi)表面有傷痕，如圖7所示，內(nèi)壁大面積拉傷，可能是在煨彎過程中芯軸拉傷所致，這種缺陷必定導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖5 活動彎頭斷裂

圖6 夾渣

圖7 毛坯剖切

1.5 歧管接頭斷裂

高壓管匯撬歧管接頭多次斷裂，如圖8所示。主要原因是撬架設(shè)計不合理，旋塞閥沒有固定，帶動整個管線上下振動，使歧管接頭母由壬端迅速疲勞斷裂。應(yīng)該對整個系統(tǒng)進(jìn)行振動分析，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，固定各個零部件。

1.6 活動彎頭、活動關(guān)節(jié)刺漏

活動彎頭、活動關(guān)節(jié)處密封性能差會導(dǎo)致刺漏現(xiàn)象產(chǎn)生。其失效原因，可能密封件存在質(zhì)量問題，非金屬材料不耐酸，也可能彎頭零件最終熱處理后沒有進(jìn)行精加工，熱處理變形沒有消除，導(dǎo)致球道直徑方向變形，裝配后的內(nèi)外接頭存在擠壓應(yīng)力。熱處理后的變形導(dǎo)致密封端面平面度過大，配合零件端面不平行，從而導(dǎo)致密封失效。

1.7 歧管刺漏

對某歧管進(jìn)行試壓時，發(fā)現(xiàn)歧管刺水，壓力下降，刺水部位出現(xiàn)在分模面處，如圖9所示。對失效零件內(nèi)孔進(jìn)行熒光磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁出現(xiàn)多條縱向裂紋。歧管接頭在熱處理前，對內(nèi)孔相貫線處尖銳部分沒有倒圓，造成熱處理應(yīng)力集中，尖角處出現(xiàn)微裂紋。要求在制造加工時對尖角進(jìn)行打磨。

1.8 旋塞閥公由壬端刺漏

對失效零件表面進(jìn)行熒光磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)軸頸處根部有環(huán)狀裂紋，如圖10所示，裂紋由外向內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)張，裂紋為應(yīng)力裂紋。低溫沖擊韌性遠(yuǎn)低于API 6A規(guī)定，機(jī)械性能不合格，導(dǎo)致產(chǎn)品脆性大、韌性差。

圖8 歧管接頭斷裂

圖9 歧管刺漏

圖10 旋塞閥公由壬端刺漏

1.9 管匯內(nèi)壁裂紋

通過熒光磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)彎頭和直管內(nèi)壁存在裂紋，如圖11所示。主要原因是管匯長期階段性循環(huán)施壓，應(yīng)力集中，金屬疲勞所致。

圖11 管匯內(nèi)壁裂紋

2 在役高壓管匯檢測方案

在上述高壓管匯失效分析中提到的很多缺陷都可通過定期檢測提前發(fā)現(xiàn)并預(yù)防，故有必要制定適合現(xiàn)場的檢測方案以確保管匯的使用可靠性。檢維修流程如圖12所示，其中需要注意的地方，壁厚檢測應(yīng)嚴(yán)格按照SY/T 6270—2012標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求，對測厚部位進(jìn)行檢測，用超聲波測厚儀檢測危險截面的壁厚（在規(guī)定的檢測區(qū)域，取4點進(jìn)行檢測），如果壁厚值小于使用壁厚極限推薦值，則報廢。活動彎頭必須采用熒光磁粉檢測，其他的采用磁軛檢測，磁粉檢測重點部位為公母由壬接頭處。產(chǎn)品檢測合格后進(jìn)行組裝，組裝后按SY/T 6270—2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜水壓試驗，試壓的同時做聲發(fā)射檢測，如圖13所示。試壓機(jī)上有數(shù)顯表的必須用數(shù)顯表，沒有數(shù)顯表的配置直顯表，試壓不合格的產(chǎn)品進(jìn)行拆解，維修后再進(jìn)行試壓。單項檢測結(jié)果的判定嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，檢測項目有一項不合格且無法整改，則該高壓管匯元件判定為不合格，其他檢測項目可不再進(jìn)行檢測。

圖12 高壓管匯檢維修流程圖

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種評價材料或構(gòu)件損傷的動態(tài)無損檢測技術(shù)[6]。在外加載荷的條件下，材料中局域源快速釋放能量，產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的聲發(fā)射信號，利用傳感器接收聲發(fā)射信號、信號處理分析后，利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)。將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于高壓管匯檢測中，彌補(bǔ)了磁粉探傷僅能檢測近表面缺陷的不足，提高了管匯內(nèi)部缺陷檢出率。人員資質(zhì)方面，操作人員需具有豐富的判斷經(jīng)驗，做到持證上崗，取得中國特種設(shè)備協(xié)會頒發(fā)的聲發(fā)射檢測證書。

圖13 高壓管匯聲發(fā)射檢測

結(jié)合檢測工藝流程，需要配置的主要檢測和試驗設(shè)備包括：電磁軛、熒光磁粉探傷機(jī)、測厚儀、硬度計、手持式光譜儀、聲發(fā)射檢測儀、內(nèi)窺鏡、試壓機(jī)、維修鉗臺、液壓手動推車及相關(guān)輔助設(shè)備等。

運作模式方面，采用基地加移動檢測相結(jié)合的一體化解決模式。對于工作量大且穩(wěn)定的業(yè)務(wù)，優(yōu)先考慮在基地進(jìn)行檢維修。對于壓裂作業(yè)現(xiàn)場需要臨時檢維修的，則采用移動式檢測服務(wù)車，以貼近施工現(xiàn)場開展檢測服務(wù)。

移動式檢測服務(wù)車配置有250 MPa靜水壓試驗裝置、熒光磁粉探傷機(jī)、聲發(fā)射檢測裝置等必備檢測儀器，具有機(jī)動性強(qiáng)、綜合服務(wù)能力強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)勢。首先，其很好地解決了無法進(jìn)行集中檢測的難題；其次，可將只能在實驗室開展的檢測項目帶到作業(yè)現(xiàn)場；再次，具備檢測兼修理能力，對部分缺陷進(jìn)行現(xiàn)場修理，對檢測合格的產(chǎn)品開展維護(hù)保養(yǎng)，試驗合格后馬上投入使用。對檢測不合格的產(chǎn)品修舊利廢，超過使用壽命的進(jìn)行降級或報廢處理。

3 在役高壓管匯檢測實施案例

以某檢測公司涪陵基地為例，該基地可同時滿足涪陵工區(qū)所有壓裂施工單位高壓管匯的周期性檢測。2017年該基地檢測高壓管匯2萬件，管匯最高額定工作壓力達(dá)140 MPa，平均連續(xù)壓裂時長3 h，最大排量17 m3，發(fā)現(xiàn)并排除質(zhì)量隱患1 000余處。該檢測公司建立了人員崗位責(zé)任制和安全生產(chǎn)規(guī)章制度，檢測工藝經(jīng)受住了工區(qū)惡劣工況的嚴(yán)峻考驗，所檢測的產(chǎn)品在有效期內(nèi)故障率大大降低，2017年未發(fā)生一起安全事故，有力地保障了涪陵頁巖氣田的安全生產(chǎn)。配置的移動式檢測服務(wù)車在1個月內(nèi)可完成20多個檢測點，2 500 km里程的3 000多件產(chǎn)品的檢維修。

根據(jù)頁巖氣井壓裂施工的特定需求，結(jié)合生產(chǎn)單位的管理現(xiàn)狀，該檢測公司與生產(chǎn)單位共同起草并建立了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頁巖氣井壓裂施工高壓管匯使用、維護(hù)及檢測管理規(guī)范》，通過該標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)：①提升生產(chǎn)單位現(xiàn)場高壓管匯管理水平，規(guī)范管理流程，便于領(lǐng)導(dǎo)決策；②指導(dǎo)壓裂施工，避免不合理操作，降低安全事故風(fēng)險；③明確高壓管匯判廢、降級使用的條件，為庫存管理提供數(shù)據(jù)支撐；④規(guī)范檢測流程，嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 結(jié)論

通過對高壓管匯幾種常見的失效案例分析，指出定期檢測的必要性。在役高壓管匯檢測參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢維修流程執(zhí)行，聲發(fā)射檢測技術(shù)彌補(bǔ)了磁粉探傷僅能檢測近表面缺陷的不足。移動式檢測服務(wù)車具有機(jī)動性強(qiáng)、綜合服務(wù)能力強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)勢，可開展貼近施工現(xiàn)場的檢測服務(wù)。以某檢測公司涪陵基地為例，檢測工藝經(jīng)受住了工區(qū)惡劣工況的嚴(yán)峻考驗，所檢測的產(chǎn)品在有效期內(nèi)故障率大大降低，有力地保障了生產(chǎn)安全。