海洋井口采油樹裝置檢測及風險評估方法研究

周洪軍，丁 輝，蘭曉冬，李 震

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300452)

海洋井口采油樹是海洋石油天然氣開采過程中的核心設備之一，是用于油氣井的流體控制，為油氣井產出流體及洗井液等提供出入口的采油裝置。據統計，中海油渤海油田井口采油樹已突破2,100套，其中投入使用20年以上(含20年)的采油樹占 7%,，10～20年(含 10年)的采油樹占 50%,，5～10年(含 5年)的采油樹占 35%,。隨著海洋井口采油樹投入使用年限的不斷增長，同時長期處于惡劣的海洋環境和復雜的工況條件下，井口采油樹不可避免會出現本體的銹蝕、腐蝕、沖蝕等缺陷及其引起的局部應力集中和泄漏等現象。一旦海洋井口采油樹失效而引發事故，將釀成海上平臺的重大災難，造成巨大的經濟財產損失。

目前，海洋井口采油樹運維技術仍處于返場拆檢、換件維修、靜態無損檢測、功能試驗及靜水壓強度試驗等階段，無法從本質安全角度進行全面檢測和評估。國內外在海洋井口采油樹拆解、檢修方面僅能依據API Spec 6A-2010(井口裝置和采油樹設備規范)和GB/T 22513—2008(井口裝置和采油樹規范)等產品制造規范，而對于井口采油樹的檢測及評估方面尚未有相關標準、規范可以參考。本文從海洋井口采油樹檢測分析、檢測試驗研究及評估方法研究等幾個方面進行了重點介紹。

1 檢測現狀分析

海洋井口采油樹裝置作為油氣開采的主要承壓設備之一，在返場拆檢維修過程中，一般依據 JB/T 4730—2005(承壓設備無損檢測)和相關產品制造規范，僅對相關部位或零部件進行靜態無損檢測，并采用超聲波測厚檢測設備對井口采油樹裝置本體關鍵部位進行厚度檢測。

由于海洋井口采油樹屬于高壓、厚壁裝置，裝置本體或零部件的內部裂紋、應力集中危險區及腐蝕等缺陷在常規的無損檢測手段(磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測)下不容易被發現，而且常規的檢測手段也無法在裝置承壓狀態下進行相關部位的檢測或評價，因而無法檢測出裝置在線使用狀態下存在的缺陷或缺陷隱患。因此，常規的無損檢測方法在海洋井口采油樹裝置的評估中僅具有一定的輔助作用。

2 檢測方法研究

為了保證海洋井口采油樹裝置評估的科學性、可靠性，為海洋井口采油樹裝置評估理論分析提供準確的數據支持，根據海洋井口采油樹裝置的結構特點、使用工況及評估要求，通過對現有檢測手段和技術的綜合性分析，將先進的檢測方法科學、合理地移植到海洋井口采油樹裝置評估中。

2.1 聲發射檢測方法研究

從海洋井口采油樹裝置的本質安全角度分析，為了準確檢測和評估裝置在承壓狀態下，本體內部裂紋缺陷的產生和擴展情況，在海洋井口采油樹本體裂紋檢測上引入聲發射檢測技術。海洋井口采油樹裝置聲發射檢測如圖1所示。

聲發射檢測技術是將高靈敏度的聲發射傳感器置于材料或零部件表面，接收材料或零部件在受力作用時產生的變形、斷裂或內部應力超過屈服極限而以瞬態彈性波形式釋放的應變能，實時接收和采集來自于材料或零部件缺陷的聲發射信號，通過對聲發射信號的識別、判斷和分析推斷出材料或零部件內部缺陷位置、狀態和發展趨勢。[1]

圖1 海洋井口采油樹裝置聲發射檢測Fig.1 Acoustic emission testing on offshore wellhead Christmas tree equipment

2.2 超聲相控陣檢測方法

目前在承壓裝置或承壓管線的本體壁厚檢測中，仍采用超聲波測厚儀定點檢測，既無法精準、可靠地檢測出裝置本體最大腐蝕點或壁厚情況，也無法全面、直觀地檢測出裝置本體的腐蝕、銹蝕部位。[2]

為了準確檢測出裝置本體的最大腐蝕部位和最大腐蝕坑情況，保證海洋井口采油樹裝置壁厚評估的可靠性，在海洋井口采油樹本體壁厚腐蝕、銹蝕檢測上引入超聲相控陣檢測技術。海洋井口采油樹裝置超聲相控陣檢測如圖2所示。超聲相控陣檢測原理是超聲波以特定的聲速和預知的方向在介質中傳播，當遭遇到不同介質的邊界時，產生反射或透射，從而將檢測成像結果直觀地顯示出來。

圖2 超聲相控陣檢測Fig.2 Ultrasonic phased array testing

2.3 磁記憶檢測方法

海洋井口采油樹裝置由于受內部腐蝕、流體沖蝕等因素影響造成本體缺陷，產生應力集中區。應力集中區易產生裂紋、疲勞損傷等缺陷，對本體的安全危害極大，因此在檢測評估中需檢測出由于外部因素產生的應力集中區和其危險程度，因而引入金屬磁記憶檢測。海洋井口采油樹裝置金屬磁記憶檢測如圖3所示。

金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法，能夠對鐵磁性金屬微觀缺陷、早期失效和損傷等進行診斷，防止突發性疲勞損傷。[3]

2.4 檢測方法的試驗研究

2014年4月，通過對聲發射檢測、超聲相控陣檢測及磁記憶檢測等技術的研究，同時采用常規的無損檢測(磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測)、材質分析儀等作為輔助檢測手段，成功對中海油渤海石油管理局綏中某平臺的A23井海洋井口采油樹裝置進行了全面的檢測。

圖3 海洋井口采油樹裝置金屬磁記憶檢測Fig.3 Metal magnetic memory testing on offshore wellhead Christmas tree equipment

3 風險評估方法研究

為了確保在役海洋井口采油樹裝置安全可靠，保障海洋油氣開采的正常進行，計劃從安全評價、風險分級及風險管控等方面進行海洋井口采油樹裝置的風險研究，并通過建立模擬分析、力學分析及軟件數據處理等手段開展風險評估方法的研究。目前，國內外在海洋井口采油樹裝置的風險評估方面尚未有相關標準、規范，也未有相關風險評估經驗可循。通過科學實踐和合理移植，現已掌握了一些先進的檢測技術，并經過多年海洋井口采油樹裝置的運維實踐，為其風險評估方法的研究提供了技術積累。

3.1 風險評估方法研究

為了研究、探索適用于海洋井口采油樹裝置安全風險識別標準模式、辨識方法、辨識要素等，對風險評估過程系統化、規范化、標準化問題進行探索，從海洋井口采油樹裝置運維資料收集、檢測數據分析、安全風險識別、風險評價及風險分級管控等幾方面建立其風險評估標準體系。

3.2 風險評估流程設計

海洋井口采油樹裝置的風險評估主要是通過數據收集分析，依據建立的風險評估標準，通過風險評估軟件，實現評估報告的智能輸出。其風險評估流程如圖4所示。

圖4 海洋井口采油樹裝置風險評估流程圖Fig.4 Flowchart of risk assessment on offshore wellhead Christmas tree equipment

4 結 論

通過合理的移植與實踐，成功將幾種先進的檢測技術引入到海洋井口采油樹裝置的檢測中，為開展該裝置的風險評估奠定了技術基礎。同時，通過對海洋井口采油樹裝置風險評估方法進行研究，確定了其風險評估標準體系建立的必要性，探討研究了其風險評估流程。海洋井口采油樹裝置檢測及風險評估方法的研究工作尚處于探索和完善階段，但檢測及風險評估的意義重大，仍需廣大技術同行共同努力。■

［1］唐棖浩，鄧勇剛，劉念念.聲發射檢測技術在井控裝置安全測評中的應用[J].鉆采工藝，2008(2)：135-136.

［2］單寶華，喻言，歐進萍.超聲相控陣檢測技術及其應用[J].無損檢測，2004(5)：235-238.

［3］任吉林，林俊明，任文堅，等.金屬磁記憶檢測技術研究現狀與發展前景[J].無損檢測，2012(4)：3-11.