油井管靜水壓試驗機故障分析

牛文錄，黃秋生，張利國，劉金榮，張永軍，胡三恩，劉亞峰，單來民

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.中石化西南油氣分公司，成都 610081；3.吐哈油田公司機械廠，新疆哈密 839009；4.中石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000）

油井管靜水壓試驗機是檢驗油井管產品質量的重要設備之一。SY／T 6194—2003《石油天然氣工業油氣井套管或油管用鋼管》［1］和API Spec 5CT《油管和套管》［2］規范要求油井管入井前應進行靜水壓試驗，不得有滲漏現象，保壓時間應在5～30s。規范中還規定了不同鋼級和品種的油井管，必須能承受相應等級的壓力。水壓試驗機正是為檢驗油井管的耐壓能力以及接箍與管體連接螺紋的密封性而設計制造的，也是影響管加工線生產率的關鍵設備。如果靜水壓試驗機發生故障，就會影響正常生產。本文就常見的故障進行了分析，供同行及使用者參考。

1 結構組成

1.1 機械系統

由主機和輔機2部分組成。主機由灌注密封移動系統、接箍擋卡裝置、排氣密封移動系統、夾緊裝置、接送料裝置及機架模塊組成；輔機主要包括：進出料臺架、對齊測長、旋轉沖洗、送料裝置和箜水裝置等。

1.2 液壓氣動系統

主要包括：液壓泵站、各種液壓閥件、液壓氣動執行元件、管路及附件、冷卻系統、液壓控制系統。

1.3 水路系統

主要包括：增壓缸、高壓水閥、儲水罐、灌注水泵、閘閥、氣控閥等氣動元件、管路及附件。

1.4 電器、信號檢測元件

主要包括：MCC柜、PLC 柜、操作臺、壓力傳感器、壓力繼電器、感應開關、變頻器等。

1.5 自動化控制系統

由下位機與上位機組成：下位機采用可編程序控制器（PLC）；上位機采用工業控制計算機。該系統配置必要的附件，例如通信設備接口、打印機等，實現油井管靜水壓試驗機全自動智能化運行。PLC在現場進行控制；上位機進行參數設置、數據顯示、數據管理和打印。整個系統以可編程序控制器為核心，實現自動化控制［3］。

2 工藝流程

油井管靜水壓試驗機的試壓工藝過程為：進料架進料→油井管對齊→油井管測長→油井管旋轉沖洗→主機起升裝置將油井管放到試壓中心→夾緊裝置將油井管夾緊→定尺寸移動機構將灌注密封裝置推進到規定的位置→主液壓缸將排氣密封裝置推進到規定的位置→予密封加壓→灌水、排氣→加壓→保壓→卸壓→密封裝置退回→夾緊裝置松開→出料→箜水→吹氣掃水→出料架出料［4－5］。

3 故障分析及排除

因為主機和輔機的動作是疊加在一起同時工作的，即對齊進料、主機進料與箜水是同時開始工作的，所以如果將1根管子從進入水壓機主機→開始試壓→從水壓機主機出料為止，稱為1個循環周期（也就是每個管子在主機試壓的整個工藝過程），那么每個循環周期將包含20多個連續或疊加的動作。在這個過程中，設備的各受力部件所承受的載荷將從零逐漸增加，直到達到設定壓力，保持6～30s之后卸壓為零，因而所受應力也由零迅速增加到某一最大值又迅速減小為零。由此可見：在每個循環周期，設備所承受的載荷為變載荷，設備在連續運轉的過程中，將承受周期性變化的載荷，在交變載荷作用下，雖然應力低于屈服極限，但長期反復之后，構件也會突然損壞［6］。同時，油井管靜水壓試驗機在試壓過程中，油井管與各接觸部件相互撞擊，產生了很大的機械振動與噪聲，更為嚴重的是液壓系統動作較多，換向頻繁。換向時，閥口突然關閉、動作突然停止，由于流動液體流量與速度的變化形成了壓力脈動以及運動部件慣性的作用，使系統內瞬時形成很高的峰值壓力，引起系統壓力波動、沖擊振動、噪聲都很大。近年來，系統控制采用插裝閥，液壓元件長期處在大的交變載荷作用之下，各元件的疲勞損壞無法避免，由此而引起元件壽命短、管接頭松動、油管經常破損、振動劇烈、噪聲大以及泵等破損而引起的系統油污染、水污染等一系列問題。

如上所述，由于水壓機本身的工作特點以及工藝過程非常復雜，因而導致其在使用過程中暴露出一系列的問題。在這些故障中，絕大多數都是外圍檢測元器件及機械、液壓執行元件（如各種閥件）、各聯接件（如油管、電纜等）的故障。有的故障很明顯，一看便知，只是解決起來費時。有的故障可通過監控PLC程序，判斷由于哪個信號不到位引起的故障，當然要判斷此類故障需要有PLC程序方面的知識，現場排除設備故障也容易。但是對于液壓和水路系統發生綜合性故障時，例如閥件內泄等，故障的診斷和排除帶有非常大的技術難度，要根據故障的表象與試壓的工藝過程綜合考慮，才能確定故障的真正原因，需要為此耗費大量的人力、財力和生產時間。

3.1 予密封壓力問題

3.1.1 予密封壓力加不上

1）控制予密封加壓的電磁閥閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞（增壓油缸電磁閥吸合，但增壓油缸不動作）。

2）控制予密封加壓的液控單向閥閥桿卡死或彈簧座松動，液控單向閥無法打開。

3）控制管體加壓的液控單向閥閥桿卡死而不能復位，致使高壓水流入管體。

4）密封卸壓閥閥桿卡死而不能復位（關閉）、閥密封面點蝕或密封面間有雜物，不能密封而使高壓水（大流量）泄漏。

5）梭閥泄漏（大流量），高壓水流入管體。

6）控制增壓油缸的電磁閥（或電液閥）閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞。

7）控制增壓油缸灌注水閥的電磁閥閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞而使增壓油缸水腔未注滿低壓水等。

3.1.2 予密封壓力保持不住

1）梭閥泄漏（小流量），高壓水流入管體。

2）密封保壓單向閥密封面點蝕或密封面間有雜物不能密封而使高壓水泄漏。

3）密封卸壓閥閥桿卡死而不能復位（關閉）、閥密封面點蝕或密封面間有雜物不能密封而使高壓水泄漏。

4）水壓密封圈損壞外圈翻邊或密封裝置內部密封件損壞（這種情況下密封壓力加到設定值后，立刻降為零壓）。

3.2 管體壓力問題

3.2.1 管體壓力加不上

1）水罐（或水箱）中無水。水罐（或水箱）中液位控制器失靈，致使水罐（或水箱）內水用完后沒有及時補充，灌注時管體內沒有充滿低壓水。應檢查或更換液位控制器，在水罐（或水箱）中充滿低壓水。

2）灌注時間太短。各品種管體的容積大小不等，因此在試驗不同品種油井管時，應按管徑大小調整灌注時間，使管內低壓水灌注充分。

3）排氣閥有大流量泄漏。原因有2個：①排氣閥在試壓過程中，起2個作用，一個是在灌注期間將管體內的空氣徹底排出管體之外，另外一個是在保壓結束后，打開閥將管體內的超高壓水排出管體卸壓。因在加壓、保壓期間，閥桿端面一直受高壓水的壓力，即閥桿軸向一直受水壓力的作用，在開閥瞬時，另一端面受液壓力的作用，致使閥桿兩端受力而成壓桿，在連續不斷的試壓過程中，閥桿受壓發生了微彎曲變形，使閥座和閥芯配合面之間有縫隙而不能緊密配合產生泄漏，應修正或更換閥桿；②由于試壓水發生污染，水中混有鐵削和其他雜物，在關閥的瞬間，未流走的雜物被夾在了閥座和閥芯配合密封面之間產生泄漏，這種情況下應復位后，手動將油井管推入兩端密封裝置之內，打開灌注閥，再將排氣閥開關幾次可沖掉雜物，如果還不行，就拆卸排氣閥徹底清理雜物。

4）密封壓力未保住，與3.1.2的情況相同。

5）灌注閥有泄漏。閥桿彎曲變形或閥密封面上有雜物，與3.1.2的第3條相同。

6）梭閥泄漏返到密封管路，壓力超過予密封管路保護壓力設定值而執行復位動作，應清理、修磨或更換閥芯及更換密封件。

7）控制管體加壓的電磁閥不工作（增壓缸頂不動）。

3.2.2 管體壓力保不住

1）灌注閥、排氣閥、管體保壓的單向閥有小流量泄漏。由于連續不斷的開關閥，閥座和閥芯配合密封面相互撞擊頻繁以及試壓水發生污染，使得配合密封面產生點蝕、銹蝕而形成微小溝槽，使超高壓水外泄，應對閥座和閥芯密封面進行配合修磨或更換閥座、閥芯。

2）主液壓缸后退。主液壓缸作為油井管靜水壓試驗機的一個關鍵部件，它有2個作用：①補償油井管長度差引起的空間，以便使兩頭密封裝置將油井管頂緊；②承受高壓水所產生的軸向推力。主液壓缸系統由1個主缸、2個副缸、高置灌注油箱、充液閥、補壓油泵、回抽油泵及其控制系統構成。主液壓缸向前運動時副缸推動主缸向前運動，同時充液閥打開，高置灌注油箱里的液壓油將被灌注到主缸里面。主液壓缸向后運動時，副缸拉動主缸向后運動，充液閥打開，主缸里的液壓油將回到高置灌注油箱里。經過分析主液壓缸后退主要有以下4個原因：①充液閥本身關閉不嚴，水壓機長期使用后，因充液閥頻繁開關或液壓系統不潔凈造成閥錐面密封性能下降，最終導致在水壓上升時因充液閥泄漏造成主液缸后退；②比例閥失效，由于液壓系統不潔凈造成比例閥堵塞或比例放大器燒壞而不能跟隨水壓調節油壓，造成水壓大于主液壓缸油壓，從而引起主液缸后退；③主液壓缸的密封性能降低，主液壓缸由于長時間使用其密封失效造成泄漏現象，造成水壓上升時主液缸后退；④比例閥的響應速度跟不上水壓上升速度時，會造成主液缸在水壓上升時緩慢后退。要解決此問題，對比例閥響應時間選擇上應盡量使其適應水壓快速上升的要求。另外，可以在控制策略上選擇更先進的控制方法。

3.3 水壓密封圈頻繁損壞

1）如3.2.2的第2條所述，加壓時主液壓缸后退，會造成排氣端密封裝置水壓密封圈異常損壞，應解決主液壓缸后退。

2）移動式接箍擋卡裝置長時間使用，擋頭變形，固定式接箍擋卡裝置擋頭位置不變，但由于接箍長度有1～3mm的誤差，二者均與油井管接箍端面接觸不良［7］，在升壓和保壓過程中，油井管受水壓強烈壓迫產生軸向彈性壓縮變形，接箍與水壓密封圈有相對位移，在摩擦力的作用下，會造成接箍端密封裝置水壓密封圈異常損壞，應修整或更換接箍擋頭。

3.4 油井管在試壓過程失穩［7］

油井管在升壓和保壓過程某一時間內，由于所受的軸向壓力大于其臨界壓力，使其不能保持原有直線平衡狀態而突然彎曲失穩。應配置接箍擋卡裝置，其作用是在油井管進行試壓時，用它頂住接箍外端面，將接箍所受軸向壓力傳給擋卡裝置，再由擋卡裝置傳給機架承受載荷，以保證管體不失穩。

4 結語

油井管靜水壓試驗機是集機械、液壓、電氣及自動化控制等多方面為一體的復雜系統，有非常多的故障發生。設計者應盡可能充分考慮影響設備運轉可靠性、連續性、穩定性的諸多因素，例如對于受力部件強度設計以疲勞極限為設計依據，液壓系統考慮減小振動、噪聲等。使用維護者應潛心掌握設備工作原理及工藝過程，認真分析生產過程中出現的各種故障，總結引起故障的原因，不斷積累故障排除的經驗，及時精心做好設備的維護保養，是完全可以使用好這類設備的。

［1］SY／T 6194－2003，石油天然氣工業油氣井套管或油管用鋼管［S］.

［2］API Spec 5CT，油管和套管［S］.3版，1990.

［3］張利國，董梅，李秀全.基于PLC的鋼管靜水壓試驗機控制系統［J］.甘肅科技，2009，25（18）：44－46.

［4］李如東，孫文平，全副.石油套管水壓試驗裝置［J］.石油機械，1987，15（3）：45－49.

［5］李偉，張利國，牛文錄，等.全自動石油油管（套管）靜水壓試驗裝置的改進［J］.石油礦場機械，2001，30（1）：16－18.

［6］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［7］牛文錄，劉金榮，郭慶平，等.油井管在靜水壓試驗過程中的失穩控制［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：89－90.