試壓過程中特殊螺紋油管接頭沖刷腐蝕防護環擠出原因分析

呂拴錄， 彭建新， 高文祥， 楊雙寶， 耿海龍， 王 鵬， 劉文紅， 朱麗娟

1中國石油大學(北京)材料科學與工程系 2中國石油塔里木油田 3中國石油集團石油管工程技術研究院

0 引言

某特殊螺紋接頭油管沒有設計扭矩臺肩，當內外螺紋接頭上扣連接之后，在外螺紋接頭端面和接箍內臺肩位置存在間隙(圖1)。為了防止內外螺紋接頭連接之后形成的2個間隙在高壓氣體通過時產生紊流，導致該部位產生沖刷腐蝕[1-9]，工廠在接頭2個臺肩間隙位置分別安裝了沖刷腐蝕防護環(以下簡稱CBR環)(圖2)。從圖2可明顯看出，安裝CBR環之后會在接頭部位形成2個空腔。

圖1 特殊螺紋接頭上扣連接之后結構

圖2 安裝CBR特氟龍環位置局部結構

某井對該種油管進行現場氣密封檢測，因氣密封檢測不合格或扭矩曲線不合格卸開檢查時，發現其中一部分油管的CBR環被擠出。

為找出油管試壓之后CBR環被擠出原因，本文進行了調查研究和試驗分析。

1 CBR環被擠出情況

該井油管現場試壓因有問題共計甩掉的20根油管中，發生CBR環被擠出的有10根，其中1根油管工廠端和現場端的CBR環同時被擠出，現場端擠出程度相對較輕。現場試壓油管CBR環被擠出情況調查結果見表1。依據甩掉的20根油管CBR環被擠出情況判斷，入井的油管中CBR環被擠出比例比較大。

表1 CBR環被擠出及試壓情況

經測量，油管接頭CBR環被擠出的周長為20～35 mm，徑向擠出高度為3～6 mm(圖3)。

圖3 ?88.9 mm×6.45 mm油管接頭工廠端CBR環被擠出形貌

2 試驗

2.1 試驗樣品及項目

油管試驗樣品及項目見表2。

表2 油管試驗樣品及項目

2.2 上、卸扣試驗

2.2.1 試驗方案

(1)對CBR2、CBR3、CBR4和CBR5油管試樣工廠端卸扣，更換CBR環。

(2)按照廠家規定的最大扭矩和最大轉速對油管接頭工廠端和現場端上扣，上扣所用螺紋脂為BESTOLIFE 72733，上扣夾持位置為管體。上扣后使用內窺鏡觀察并記錄CBR環是否被擠出。

2.2.2 試驗結果

油管接頭工廠端和現場端上扣后，采用內窺鏡觀察結果，CBR環裝配狀態完好。

2.3 氣密封及水壓爆破試驗

2.3.1 試驗方案

(1)在氣密封試驗中，試壓介質為氮氣，氣體內壓加至95%VME，保壓15 min(表3)。每次試壓以最大排量卸載。

表3 氣密封試驗內壓值

(2)若無泄漏，進行水壓爆破試驗。

(3)試驗完成后，解剖檢查油管接頭內壁CBR環形貌。

注:VME(Vvon Mise Equivalent)按照第三強度理論得到的等效應力。

2.3.2 試驗結果

1～3號油管試樣在氣密封試驗過程均未發生泄漏。隨后進行水壓爆破試驗，各規格油管的爆破壓力值均超過管體內屈服壓力值(表4)。試樣爆破位置均在油管管體。氣密封及水壓爆破試驗后，發現2號油管接頭CBR環被擠出。

表4 水壓爆破試驗結果

2.4 復合載荷氣密封試驗

2.4.1 試驗方案

對3根?114.3 mm×12.70 mm油管按照最小扭矩上扣后，模擬現場井口試壓過程，進行復合載荷氣密封試驗，并校核接頭密封性能。根據實際現場工況條件計算,該規格油管在井口試壓時承受的浮重為72.8～111.3 t。在該軸向拉伸載荷范圍內，若按照80 MPa、90 MPa、100 MPa和110 MPa內壓計算，達到的最大VME載荷為73%的屈服強度(表5)。

表5 井口油管在軸向拉伸載荷和內壓作用下VME

試驗按照表6參數方案執行。具體步驟為：按照內壓110 MPa→100 MPa→90 MPa順序，施加軸向拉伸載荷，使其復合應力達到73%VME(井口試壓過程最大VME)和95%VME，進行復合載荷氣密封試驗，每步載荷點保載15 min。

表6 復合載荷氣密封試驗參數

2.4.2 試驗結果

3根油管試樣均未泄漏，2號油管接頭CBR環被擠出。

3 結果分析

試驗結果表明，CBR環被擠出與氣密封測試泄壓速度過快有關。在加壓過程中，油管接頭膨脹，CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙增大，試壓氣體很容易沿此間隙進入CBR環安裝之后形成的空腔，最終該空腔壓力與油管內壓相同。在快速泄壓過程中，油管接頭收縮，CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙變小，CBR環安裝之后形成的空腔內的高壓氣體不容易沿此間隙泄出，導致該壓力腔與油管內瞬間形成很大的壓差將CBR環擠出。

大多數CBR環被擠出的位置在工廠端，而現場端只發現一根CBR環發生輕微的擠出。原因是工廠端上扣扭矩較大，內外螺紋接頭臺肩之間的間隙小，現場端上扣扭矩較小，內外螺紋接頭臺肩之間的間隙較大，而CBR環尺寸是相同的。因此，安裝CBR環之后，工廠端CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙小，現場端CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙大。在快速泄壓過程中，油管接頭收縮，工廠端CBR安裝之后形成的空腔內的高壓氣體更不容易沿較小間隙泄出，最終導致該壓力腔與油管內瞬間形成很大的壓差將CBR環擠出。如果適當降低氣密封檢測壓力，并減小泄壓速度，會大大降低CBR環被擠出的風險。

為了防止CBR環被擠出，油管生產廠家對CBR環結構尺寸進行了改進。新改進的CBR環安裝之后形成的密閉空間減小，但無法做到完全沒有間隙。

對20根?88.9 mm×9.52 mm 油管試樣，采用新改進的CBR環和原CBR環，在110 MPa試壓條件下進行現場對比試驗,原CBR環被擠出比例為26.6%，新改進的CBR環被擠出比例為13.3%；在80～90 MPa試壓條件下試驗，原CBR環與新CBR環均沒有發生擠出現象。

4 結論與建議

(1)油管在升壓過程中，油管接頭膨脹，CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙增大，試壓氣體很容易沿此間隙進入CBR環安裝之后形成的空腔，最終該空腔內壓力與油管內壓相同。在快速泄壓過程中，油管接頭收縮，CBR環與內外螺紋接頭臺肩之間的間隙變小，CBR環安裝之后形成的空腔內的高壓氣體不容易沿此間隙泄出，導致該壓力腔與油管內瞬間形成很大的壓差將CBR環擠出。

(2)建議將現場試驗壓力由110 MPa降至80～90 MPa，在試壓過程中降低泄壓速度。

(3)建議改進CBR環結構尺寸，減小CBR環安裝之后形成的密閉空間。