在役高壓管匯失效分析及檢測方案實施

李建剛

1.荊州市世紀派創石油機械檢測有限公司 （湖北 荊州 434024）

2.中石化四機石油機械有限公司 （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，用于井口的開關與壓裂高壓管路的接入。高壓管匯一般額定工作壓力能達到35～140 MPa，因其工作壓力高，一旦出現管匯爆裂，輕則碎片飛濺，損壞設備，造成長時間停機，影響施工作業進度，重則造成人員傷亡[1]。因此，各施工作業隊均高度重視高壓管匯的產品質量，一般情況下對高壓管匯進行定期檢測，檢測周期根據使用次數和使用工況來確定，以避免缺陷產品上井使用。

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壁處及靠近彎頭的附近部位，如圖1所示。沖蝕部位呈現出條紋、溝洼及麻坑，通過測厚可發現沖蝕部位明顯減薄[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硬度，在運動過程中對金屬材質表面造成微切削及塑性變形。另外，壓裂液在柱塞泵往復式推力作用下，形成脈動反復循環力，在各種因素的共同作用下，彎頭表面產生溝洼，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，隨著管匯內壁直徑的增大而減小。流場的最大壓力區分布在彎頭的外拱內壁區域，同時該區域的疲勞壽命次數最低[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部擴展，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

機械加工缺陷和熱處理不當是導致由壬接頭斷裂的主要原因。在機械加工過程中齒根過渡部位的R圓弧過渡較小，易在該部位形成應力集中區域，如圖3所示，在應力集中部位形成裂紋，當裂紋擴展到一定程度時就會發生斷裂現象。另外，調質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 內壁腐蝕

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

圖4 內壁腐蝕

腐蝕失效為塑性失效，即認為腐蝕缺陷區的等效應力達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，均勻腐蝕區的等效應力隨缺陷長度和深度的增加而增加，局部腐蝕區的等效應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，通過對失效產品進行機械性能檢測，發現機械性能不合格，低溫沖擊韌性平均值低于API 6A規定的值，導致產品脆性大、韌性差。另外對內壁裂紋部位進行金相分析，發現材料有夾渣，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，導致產品快速失效。通過對失效產品進行毛坯剖切，發現毛坯內表面有傷痕，如圖7所示，內壁大面積拉傷，可能是在煨彎過程中芯軸拉傷所致，這種缺陷必定導致應力集中。

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。應該對整個系統進行振動分析，對結構優化設計，固定各個零部件。

1.6 活動彎頭、活動關節刺漏

活動彎頭、活動關節處密封性能差會導致刺漏現象產生。其失效原因，可能密封件存在質量問題，非金屬材料不耐酸，也可能彎頭零件最終熱處理后沒有進行精加工，熱處理變形沒有消除，導致球道直徑方向變形，裝配后的內外接頭存在擠壓應力。熱處理后的變形導致密封端面平面度過大，配合零件端面不平行，從而導致密封失效。

1.7 歧管刺漏

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

1.8 旋塞閥公由壬端刺漏

對失效零件表面進行熒光磁粉探傷，發現軸頸處根部有環狀裂紋，如圖10所示，裂紋由外向內進行擴張，裂紋為應力裂紋。低溫沖擊韌性遠低于API 6A規定，機械性能不合格，導致產品脆性大、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 管匯內壁裂紋

通過熒光磁粉檢測，發現彎頭和直管內壁存在裂紋，如圖11所示。主要原因是管匯長期階段性循環施壓，應力集中，金屬疲勞所致。

圖11 管匯內壁裂紋

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現并預防，故有必要制定適合現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，壁厚檢測應嚴格按照SY/T 6270—2012標準[5]的要求，對測厚部位進行檢測，用超聲波測厚儀檢測危險截面的壁厚（在規定的檢測區域，取4點進行檢測），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。產品檢測合格后進行組裝，組裝后按SY/T 6270—2012標準進行靜水壓試驗，試壓的同時做聲發射檢測，如圖13所示。試壓機上有數顯表的必須用數顯表，沒有數顯表的配置直顯表，試壓不合格的產品進行拆解，維修后再進行試壓。單項檢測結果的判定嚴格按照標準進行，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行檢測。

圖12 高壓管匯檢維修流程圖

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

圖13 高壓管匯聲發射檢測

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

運作模式方面，采用基地加移動檢測相結合的一體化解決模式。對于工作量大且穩定的業務，優先考慮在基地進行檢維修。對于壓裂作業現場需要臨時檢維修的，則采用移動式檢測服務車，以貼近施工現場開展檢測服務。

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

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140 MPa，平均連續壓裂時長3 h，最大排量17 m3，發現并排除質量隱患1 000余處。該檢測公司建立了人員崗位責任制和安全生產規章制度，檢測工藝經受住了工區惡劣工況的嚴峻考驗，所檢測的產品在有效期內故障率大大降低，2017年未發生一起安全事故，有力地保障了涪陵頁巖氣田的安全生產。配置的移動式檢測服務車在1個月內可完成20多個檢測點，2 500 km里程的3 000多件產品的檢維修。

根據頁巖氣井壓裂施工的特定需求，結合生產單位的管理現狀，該檢測公司與生產單位共同起草并建立了企業標準《頁巖氣井壓裂施工高壓管匯使用、維護及檢測管理規范》，通過該標準可實現：①提升生產單位現場高壓管匯管理水平，規范管理流程，便于領導決策；②指導壓裂施工，避免不合理操作，降低安全事故風險；③明確高壓管匯判廢、降級使用的條件，為庫存管理提供數據支撐；④規范檢測流程，嚴格按照行業標準執行。

4 結論

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標準和檢維修流程執行，聲發射檢測技術彌補了磁粉探傷僅能檢測近表面缺陷的不足。移動式檢測服務車具有機動性強、綜合服務能力強和可靠性高等優勢，可開展貼近施工現場的檢測服務。以某檢測公司涪陵基地為例，檢測工藝經受住了工區惡劣工況的嚴峻考驗，所檢測的產品在有效期內故障率大大降低，有力地保障了生產安全。