呂拴錄， 彭建新， 高文祥， 楊雙寶， 耿海龍， 王 鵬， 劉文紅， 朱麗娟

1中國(guó)石油大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程系 2中國(guó)石油塔里木油田 3中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院

0 引言

某特殊螺紋接頭油管沒(méi)有設(shè)計(jì)扭矩臺(tái)肩，當(dāng)內(nèi)外螺紋接頭上扣連接之后，在外螺紋接頭端面和接箍?jī)?nèi)臺(tái)肩位置存在間隙(圖1)。為了防止內(nèi)外螺紋接頭連接之后形成的2個(gè)間隙在高壓氣體通過(guò)時(shí)產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致該部位產(chǎn)生沖刷腐蝕[1-9]，工廠在接頭2個(gè)臺(tái)肩間隙位置分別安裝了沖刷腐蝕防護(hù)環(huán)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CBR環(huán))(圖2)。從圖2可明顯看出，安裝CBR環(huán)之后會(huì)在接頭部位形成2個(gè)空腔。

圖1 特殊螺紋接頭上扣連接之后結(jié)構(gòu)

圖2 安裝CBR特氟龍環(huán)位置局部結(jié)構(gòu)

某井對(duì)該種油管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)氣密封檢測(cè)，因氣密封檢測(cè)不合格或扭矩曲線(xiàn)不合格卸開(kāi)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一部分油管的CBR環(huán)被擠出。

為找出油管試壓之后CBR環(huán)被擠出原因，本文進(jìn)行了調(diào)查研究和試驗(yàn)分析。

1 CBR環(huán)被擠出情況

該井油管現(xiàn)場(chǎng)試壓因有問(wèn)題共計(jì)甩掉的20根油管中，發(fā)生CBR環(huán)被擠出的有10根，其中1根油管工廠端和現(xiàn)場(chǎng)端的CBR環(huán)同時(shí)被擠出，現(xiàn)場(chǎng)端擠出程度相對(duì)較輕?，F(xiàn)場(chǎng)試壓油管CBR環(huán)被擠出情況調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。依據(jù)甩掉的20根油管CBR環(huán)被擠出情況判斷，入井的油管中CBR環(huán)被擠出比例比較大。

表1 CBR環(huán)被擠出及試壓情況

經(jīng)測(cè)量，油管接頭CBR環(huán)被擠出的周長(zhǎng)為20～35 mm，徑向擠出高度為3～6 mm(圖3)。

圖3 ?88.9 mm×6.45 mm油管接頭工廠端CBR環(huán)被擠出形貌

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品及項(xiàng)目

油管試驗(yàn)樣品及項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 油管試驗(yàn)樣品及項(xiàng)目

2.2 上、卸扣試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案

(1)對(duì)CBR2、CBR3、CBR4和CBR5油管試樣工廠端卸扣，更換CBR環(huán)。

(2)按照廠家規(guī)定的最大扭矩和最大轉(zhuǎn)速對(duì)油管接頭工廠端和現(xiàn)場(chǎng)端上扣，上扣所用螺紋脂為BESTOLIFE 72733，上扣夾持位置為管體。上扣后使用內(nèi)窺鏡觀察并記錄CBR環(huán)是否被擠出。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

油管接頭工廠端和現(xiàn)場(chǎng)端上扣后，采用內(nèi)窺鏡觀察結(jié)果，CBR環(huán)裝配狀態(tài)完好。

2.3 氣密封及水壓爆破試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方案

(1)在氣密封試驗(yàn)中，試壓介質(zhì)為氮?dú)?，氣體內(nèi)壓加至95%VME，保壓15 min(表3)。每次試壓以最大排量卸載。

表3 氣密封試驗(yàn)內(nèi)壓值

(2)若無(wú)泄漏，進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。

(3)試驗(yàn)完成后，解剖檢查油管接頭內(nèi)壁CBR環(huán)形貌。

注:VME(Vvon Mise Equivalent)按照第三強(qiáng)度理論得到的等效應(yīng)力。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1～3號(hào)油管試樣在氣密封試驗(yàn)過(guò)程均未發(fā)生泄漏。隨后進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，各規(guī)格油管的爆破壓力值均超過(guò)管體內(nèi)屈服壓力值(表4)。試樣爆破位置均在油管管體。氣密封及水壓爆破試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)2號(hào)油管接頭CBR環(huán)被擠出。

表4 水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

2.4 復(fù)合載荷氣密封試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)方案

對(duì)3根?114.3 mm×12.70 mm油管按照最小扭矩上扣后，模擬現(xiàn)場(chǎng)井口試壓過(guò)程，進(jìn)行復(fù)合載荷氣密封試驗(yàn)，并校核接頭密封性能。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況條件計(jì)算,該規(guī)格油管在井口試壓時(shí)承受的浮重為72.8～111.3 t。在該軸向拉伸載荷范圍內(nèi)，若按照80 MPa、90 MPa、100 MPa和110 MPa內(nèi)壓計(jì)算，達(dá)到的最大VME載荷為73%的屈服強(qiáng)度(表5)。

表5 井口油管在軸向拉伸載荷和內(nèi)壓作用下VME

試驗(yàn)按照表6參數(shù)方案執(zhí)行。具體步驟為：按照內(nèi)壓110 MPa→100 MPa→90 MPa順序，施加軸向拉伸載荷，使其復(fù)合應(yīng)力達(dá)到73%VME(井口試壓過(guò)程最大VME)和95%VME，進(jìn)行復(fù)合載荷氣密封試驗(yàn)，每步載荷點(diǎn)保載15 min。

表6 復(fù)合載荷氣密封試驗(yàn)參數(shù)

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

3根油管試樣均未泄漏，2號(hào)油管接頭CBR環(huán)被擠出。

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，CBR環(huán)被擠出與氣密封測(cè)試泄壓速度過(guò)快有關(guān)。在加壓過(guò)程中，油管接頭膨脹，CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙增大，試壓氣體很容易沿此間隙進(jìn)入CBR環(huán)安裝之后形成的空腔，最終該空腔壓力與油管內(nèi)壓相同。在快速泄壓過(guò)程中，油管接頭收縮，CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙變小，CBR環(huán)安裝之后形成的空腔內(nèi)的高壓氣體不容易沿此間隙泄出，導(dǎo)致該壓力腔與油管內(nèi)瞬間形成很大的壓差將CBR環(huán)擠出。

大多數(shù)CBR環(huán)被擠出的位置在工廠端，而現(xiàn)場(chǎng)端只發(fā)現(xiàn)一根CBR環(huán)發(fā)生輕微的擠出。原因是工廠端上扣扭矩較大，內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙小，現(xiàn)場(chǎng)端上扣扭矩較小，內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙較大，而CBR環(huán)尺寸是相同的。因此，安裝CBR環(huán)之后，工廠端CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙小，現(xiàn)場(chǎng)端CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙大。在快速泄壓過(guò)程中，油管接頭收縮，工廠端CBR安裝之后形成的空腔內(nèi)的高壓氣體更不容易沿較小間隙泄出，最終導(dǎo)致該壓力腔與油管內(nèi)瞬間形成很大的壓差將CBR環(huán)擠出。如果適當(dāng)降低氣密封檢測(cè)壓力，并減小泄壓速度，會(huì)大大降低CBR環(huán)被擠出的風(fēng)險(xiǎn)。

為了防止CBR環(huán)被擠出，油管生產(chǎn)廠家對(duì)CBR環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改進(jìn)。新改進(jìn)的CBR環(huán)安裝之后形成的密閉空間減小，但無(wú)法做到完全沒(méi)有間隙。

對(duì)20根?88.9 mm×9.52 mm 油管試樣，采用新改進(jìn)的CBR環(huán)和原CBR環(huán)，在110 MPa試壓條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn),原CBR環(huán)被擠出比例為26.6%，新改進(jìn)的CBR環(huán)被擠出比例為13.3%；在80～90 MPa試壓條件下試驗(yàn)，原CBR環(huán)與新CBR環(huán)均沒(méi)有發(fā)生擠出現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

(1)油管在升壓過(guò)程中，油管接頭膨脹，CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙增大，試壓氣體很容易沿此間隙進(jìn)入CBR環(huán)安裝之后形成的空腔，最終該空腔內(nèi)壓力與油管內(nèi)壓相同。在快速泄壓過(guò)程中，油管接頭收縮，CBR環(huán)與內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩之間的間隙變小，CBR環(huán)安裝之后形成的空腔內(nèi)的高壓氣體不容易沿此間隙泄出，導(dǎo)致該壓力腔與油管內(nèi)瞬間形成很大的壓差將CBR環(huán)擠出。

(2)建議將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)壓力由110 MPa降至80～90 MPa，在試壓過(guò)程中降低泄壓速度。

(3)建議改進(jìn)CBR環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，減小CBR環(huán)安裝之后形成的密閉空間。