一種海上模塊鉆機鉆完井高壓管匯安全評估方法及應用

吳小龍 張海洋 蔡鵬 羅衡

摘要：隨著石油化工行業的發展，高壓管匯在石油和天然氣管道中被普遍使用。由于模塊鉆機高壓管匯的特殊性，受到流體、泥漿等長期的沖蝕以及海上惡劣環境的腐蝕，高壓管匯的管壁會出現不同程度的磨損，而鉆完井作業井控是第一風險，高壓管匯是實現井控控制井下壓力的必備武器，因此評估高壓管匯是否處于安全的現狀，非常重要。通過選擇合適的測厚技術檢測高壓管匯的薄弱點，結合有限元軟件ABAQUS對管匯進行三維建模仿真，依據應力云圖分析結果比對許應壓力與屈服強度，可評估高壓管匯的安全性。

關鍵詞：高壓管匯;管道測厚;有限元仿真;模塊鉆機;許應壓力

1檢測部位選擇

在進行測厚前，首先要選擇好各高壓管匯的檢測部位，測厚部位選擇合適既可以節省材料，又能提高檢測結果的客觀性與準確性。

測厚部位的選擇可以從以下幾個方面考慮[1]：

???? 從設備的結構上考慮，包括高壓管匯的底部及死角區、高壓管匯的大小變徑的過渡區、高壓管匯的彎頭部位、高速旋轉設備的進出口管處。

???? 從設備的應力上考慮，包括封頭的拉伸部位、管子的冷彎處、焊縫的附近區域、不同壁厚的焊接區域附近、壓力變化較大的設備等處減薄較為厲害。

海上模塊鉆機鉆完井高壓管匯應選擇使用過程中被沖刷部位、變形部位、腐蝕部位、磨損部位、積液部位、高壓管匯的進出口部位、液位波動部位、不等厚連接部位等[2]。

2超聲波測厚

目前用于測厚的技術主要有漏磁法、脈沖渦流法、超聲波法等幾種。其中超聲波測厚技術能夠在不損壞管道的情況下，準確測量管道壁厚，還能夠發現管道的內部缺陷，對保障管道安全，提高管道工程質量具有重要作用，是檢測管道壁厚的理想方法。超聲測厚技術現已廣泛應用于管道鋼管壁厚的測量，以及油井管壁厚的檢測，超聲波測厚在管道鋼管和油井管的檢測中有著重要的意義[3]。鉆完井高壓管匯安全性評估適宜選用超聲波測厚技術進行厚度測量與檢測。

3有限元仿真

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是指利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。目前常用的有限元軟件有ANSYS、LS-NYNA、DEFORM、ADINA、ABAQUS、MSC等幾種。

ABAQUS可以分析復雜的固體力學結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題，不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統級的分析和研究。ABAQUS集中于結構力學和相關領域研究，致力于解決該領域的深層次實際問題[4]。因此海上模塊鉆機鉆完井高壓管匯安全性評估優選ABAQUS有限元軟件進行建模仿真。

ABAQUS有限元仿真的步驟包括材料受力分析、三維模型建立、應力云圖繪制等。

4安全評估

鉆完井高壓管匯安全性評估主要是將通過使用有限元軟件模擬各管匯腐蝕磨損之后的最大應力值與該管匯材質許用應力進行比較，若最大應力值σ max ≤ 許用應力[σ]，則判斷高壓管匯未失效，是安全的[5]。

判斷材料是否失效時通常使用強度準則：

5評估方法應用

海上某模塊鉆機鉆井高壓設備主要包括節流壓井管匯、立管管匯、固井管匯等，采用該評估方法對包括天車鵝頸管、高壓泥漿管等在內的11個部位的管匯進行安全評估。

5.1 檢測部位選擇

（1）三通、彎頭（彎管）、異徑管、支管連接及介質流動的死角部位;

（2）曾經出現過影響管道安全運行的問題部位;

（3）處于生產流程要害部位的管段以及重要裝置或設備連接的管段。

5.2測厚儀取點

對管道進行壁厚的測定，采用超聲波測厚的方法。

（1）彎頭（彎管）：應用測厚儀在彎頭背弧側中心線上取點測量;

（2）三通：應測三通肩部與腹部最薄點;

（3）異徑管：應測大頭一側最薄點，發現異徑管道壁厚有異常情況時，應在附近增加測點，并確定異常區域大小。

5.3超聲波測厚（直管段、彎管段）

6總結

通過對海上某模塊鉆機鉆井高壓管匯的安全評估可知，選擇合適的高壓管匯超聲波測厚技術檢測不同類型高壓管匯的薄弱點，然后結合商業有限元軟件ABAQUS對管匯進行有限元三維建模仿真，依據仿真模型應力云圖分析結果比對安全系數是否在安全范圍，從而評估高壓管匯的安全性的方法可行有效。該評估方法解決了高壓管匯是否安全的問題，為長期鉆完井作業避免了管道泄漏的隱患，降低管道維護及更換的成本，為鉆完井安全評估提供重要的依據。

參考文獻：

[1]許鴻膺.淺談超聲波測厚位置的選擇[J].貴州化工，2002，（第6期）.

[2]黃勝清.超聲波測厚技術的應用[J].化工管理，2015，（第9期）.