70MPa鉆井液循環(huán)管匯設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 臣，聶永坤，馬永恒，李志剛，翟 穎，徐笑鷗

（1.渤海石油裝備制造有限公司 石油機(jī)械廠，河北 任丘062552；2.渤海鉆探工程有限公司 定向井技術(shù)服務(wù)公司，河北 任丘062552）＊

鉆井液循環(huán)管匯（簡(jiǎn)稱(chēng)高壓管匯）是用于高壓噴射鉆井的主要設(shè)備之一，它將泥漿泵排出的高壓泥漿導(dǎo)入井內(nèi)，清洗井底，攜出巖屑，完成鉆井工藝過(guò)程，并可配合固井等其他作業(yè)。該產(chǎn)品具有操作方便、耐高壓、管匯通用、連接靈活等特點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鉆井公司配套了大量的高壓管匯，均為35MPa級(jí)別。隨著水平井、復(fù)雜井鉆探數(shù)量增多，鉆井壓力也隨之升高，各鉆井公司相繼提出70MPa級(jí)別高壓管匯的需求。借此契機(jī)，利用多年常規(guī)高壓管匯的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)出70 MPa甚至更高級(jí)別的高壓管匯，同時(shí)嚴(yán)格按照石油部標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)。

管匯承受70MPa高壓，焊縫是其薄弱環(huán)節(jié)，因此如何改進(jìn)焊接工藝，提高焊縫質(zhì)量，保證焊縫強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)通過(guò)改進(jìn)工藝，使焊縫達(dá)到PSL3規(guī)范級(jí)別，承受最高105MPa的試驗(yàn)壓力，并且通過(guò)磁粉、超聲和射線探傷，成為70MPa高壓管匯生產(chǎn)中的主要技術(shù)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1 研究成果綜述

為提高鉆井液循環(huán)管匯的承壓強(qiáng)度，解決了承壓件的密封和強(qiáng)度性能問(wèn)題；為保證焊口質(zhì)量，解決了承壓件的焊接技術(shù)問(wèn)題，研究單面焊雙面成型技術(shù)；為了使鉆井液循環(huán)管匯在高壓下穩(wěn)定工作，解決高壓下的焊接工藝及密封性能問(wèn)題；研發(fā)各種鉆機(jī)型號(hào)適用的高壓管匯和各種結(jié)構(gòu)高壓管匯，包括單立管、雙立管、可拆裝閥門(mén)組等，以擴(kuò)大產(chǎn)品適用范圍。

70MPa鉆井液循環(huán)管匯主體仍然采用和低壓力級(jí)別鉆井液循環(huán)管匯相同的1003型球面由壬，保持管匯整體結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)快速裝卸，整套管匯各部件互換性好，拆裝快，并允許傾斜±8°使用的特點(diǎn)。地面管線和立管可分為幾節(jié)，允許根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際情況自行調(diào)整使用，這就要求連接件從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面解決承壓強(qiáng)度問(wèn)題。

主要技術(shù)參數(shù)：

型號(hào) ZG102－70

額定工作壓力 70MPa

公稱(chēng)通徑 102mm

工作溫度范圍 －29～121℃

控制方式 手動(dòng)

連接方式 由壬

密封試驗(yàn)壓力 70MPa

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力 105MPa

2 材料規(guī)格及管線強(qiáng)度計(jì)算

70MPa鉆井液循環(huán)管匯需要進(jìn)行4個(gè)方面的分析計(jì)算。

1） 檢查管線在測(cè)試、安裝、操作等不同載荷工況下的應(yīng)力能否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，這部分內(nèi)容通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行分析。

2） 檢查設(shè)計(jì)中所選用的管系的管道壁厚是否滿足要求。

3） 確定管線支撐結(jié)構(gòu)處的約束反力，提取出此反力，并施加到結(jié)構(gòu)框架中，對(duì)結(jié)構(gòu)框架在不同的工況條件下進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算［1］。

4） 管道壓降計(jì)算［2］。

2.1 材料規(guī)格

70MPa鉆井液循環(huán)管匯采用材質(zhì)為35CrMo的鋼管，35CrMo鋼高溫下具有高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，低溫沖擊韌度較好，工作溫度高溫可達(dá)500℃，低溫可至－110℃，并具有高的靜強(qiáng)度、沖擊韌度及較高的疲勞強(qiáng)度，淬透性良好，無(wú)過(guò)熱傾向，淬火變形小，冷變形時(shí)韌性尚可，切削加工性中等；但有第一類(lèi)回火脆性，焊接性能不好，焊前需預(yù)熱至150～400℃，焊后熱處理以消除應(yīng)力，一般在調(diào)制處理后使用，也可在高中頻表面淬火或淬火及低、中溫回火后使用［3］。鋼管執(zhí)行 GB／T 8162—1999《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提供的所有高壓管匯材料均能滿足－29～121℃的工作溫度，高壓管匯鋼管規(guī)格為140mm×19mm，內(nèi)外徑尺寸公差，鋼管本體必須調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到197～229HB，經(jīng)消磁處理，并且全部做超聲波探傷檢測(cè)。

2.2 管線強(qiáng)度計(jì)算［4］

管道計(jì)算壁厚為

式中：δ為管道的計(jì)算壁厚，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Dn為管道內(nèi)徑，mm；φ 為焊接系數(shù)，取0.9；［σ］為材料在設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力，按Rm／nb與ReL／ns兩者中的較小值確定，MPa。

其中：

式中：Rm為材料在設(shè)計(jì)溫度t下的抗拉強(qiáng)度，MPa；ReL為材料在設(shè)計(jì)溫度t下的屈服強(qiáng)度，MPa；nb為抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的安全系數(shù)，常溫下取3.0；ns為屈服強(qiáng)度指標(biāo)的安全系數(shù)，常溫下取1.65。

管道設(shè)計(jì)壁厚為

式中：δs為管道的設(shè)計(jì)壁厚，mm；C1為管道壁厚負(fù)偏差的附加值，mm，按鋼管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取值；C2為管道壁厚的腐蝕余量，mm，查得C2＝2.5。

3 加工工藝設(shè)計(jì)

70MPa高壓管匯具有承壓高的特點(diǎn)，因此對(duì)焊縫強(qiáng)度具有較高的要求，并且焊縫需要經(jīng)過(guò)磁粉探傷、超聲探傷、射線探傷檢測(cè)及靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)合格后才能交付使用。70MPa高壓管匯焊口強(qiáng)度試驗(yàn)壓力達(dá)到105MPa，因此對(duì)焊縫的高壓焊接工藝進(jìn)行焊接技術(shù)研究，最終采用氬弧焊單面焊雙面成型技術(shù)，焊縫在背面直接成型，同時(shí)確保整個(gè)焊縫的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能［5］。

因此，工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在通過(guò)對(duì)焊接工藝要求及工藝參數(shù)的詳細(xì)控制來(lái)達(dá)到提高焊接質(zhì)量、焊接效率及成品合格率的方法。焊接工藝簡(jiǎn)圖如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表1。

圖1 焊接工藝

目前采用的焊接工藝技術(shù)可使焊縫焊接的1次成型合格率達(dá)到99%以上，比傳統(tǒng)焊接工藝焊縫1次成型合格率提高了29%。該工藝其具有6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1） 焊接效率好，無(wú)需再進(jìn)行背面除渣，清根，大幅減少了焊材使用。

2） 焊縫外觀成型光滑均勻，充分保證余高和外觀質(zhì)量。

3） 焊縫質(zhì)量較以前提高，已經(jīng)有十幾套管匯的焊縫檢測(cè)達(dá)到100%標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ、Ⅱ類(lèi)焊縫的要求。

4） 降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5） 降低對(duì)焊工技能的依賴(lài)，降低加工成本。

6） 降低了返工成本，綜合成本（人工、焊材、電費(fèi)等）節(jié)約50%以上。

表1 焊接工藝參數(shù)

4 結(jié)論

1） 對(duì)70MPa級(jí)別鉆井液循環(huán)管匯的材料規(guī)格、密封方案和加工工藝進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算滿足整體設(shè)計(jì)要求。

2） 采用35CrMo、140mm×19mm鋼管焊接加工管匯本體，承壓強(qiáng)度高，焊接性能好；使用1003型球面由壬連接，密封性能好，拆裝方便，互換性好。該管匯具有廣泛的應(yīng)用性，可以作為鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置裝備。

3） 70MPa鉆井液循環(huán)管匯的適用范圍較寬，可以提高鉆機(jī)配套水平，提高我國(guó)鉆機(jī)整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

［1］于芳芳，段夢(mèng)蘭，郭 宏，等.深水管匯設(shè)計(jì)方法及其在荔枝灣3－1氣田中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：24－29.

［2］楊樹(shù)人，孫 勇，孫啟冀，等.海底無(wú)保溫油氣混輸管道壓降計(jì)算［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：35－38.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］王積偉，章宏甲，黃 誼.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］徐軍華.注塑管匯的焊接工藝及變形控制［J］.科技資訊，2011（14）：95－96.