深水油氣用高壓軟管承壓實驗驗證

龔 軍，孟曉宇，李 波，代 峰，金學義

（1.中海油田服務股份有限公司，河北廊坊 065201；2.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

高壓軟管是深水油氣開發(fā)中的關鍵設備，在鉆完井及油氣開采中有著廣泛地應用。隨著海洋深水油氣資源不斷開發(fā)，高壓軟管在鉆完井及油氣開采中的應用也越來越廣泛。額定工作壓力是管線選型與設計加工中最重要的考慮因素之一，不同的額定工作壓力，管線承壓層結(jié)構與材料選型不同。從″鉆井防噴器控制管束信號管線、1″供液管線、4″井控用阻流壓井管線，到8″油氣開采用柔性立管均有承受高壓的特性。

對于水下控制管束，可用來控制水下防噴器、采油樹、分離器等。當水下設備失效時，只能采取水下維修或?qū)⒃O備起出至平臺進行維修。若管束失效將導致停產(chǎn)，必須對失效管束進行維修或更換，這將導致不可估量的損失。

目前，上述高壓軟管大都為進口產(chǎn)品，針對國外生產(chǎn)的柔性立管（含金屬結(jié)構）的研究較多。李文博等[1]借助ABAQUS 軟件，針對非黏結(jié)柔性立管骨架層建立力學模型，分析了不同軸向力作用下摩擦損失。劉慶升等[2]對含有8 層非粘結(jié)柔性立管建立理論分析模型，研究了在軸向拉伸和壓縮載荷作用下的軸向剛度。張學敏[3]采用有限元模擬分析法研究了復合管生產(chǎn)工藝對承壓性能的影響，依據(jù)公稱直徑150 mm、公稱壓力2.5 MPa 滌綸纖維增強塑料復合管的結(jié)構及材料特征，采用Halpin-Tsai 模型法建立了復合管的有限元模型，研究了纖維鋪層數(shù)量、纖維纏繞角度以及內(nèi)襯層壁厚等工藝參數(shù)對復合管承壓性能的影響。Cui Can[4]利用SHPB 實驗機系統(tǒng)地研究了三維五向編織復合材料在不同編織角度下的力學性能、實時漸進破壞規(guī)律和斷裂機理。Xia M 等[5]對內(nèi)壓載荷下纖維纏繞管進行了應力應變分析，認為纖維纏繞管的應力和變形與各層的纏繞方式密切相關，確定了纏繞角度變化對軸向應變的影響。熊海超[6]通過有限元方法研究了鋼絲纏繞增強塑料復合管的極限強度，分析了管道生產(chǎn)制造及運行過程的缺陷對其力學性能的影響。

雖然國內(nèi)外已開展多項研究，但對于高壓管線承壓能力的研究較少。本文以防噴器控制管束中的″信號管線為研究對象，通過擠出機擠出內(nèi)襯管后，采用不同纖維材料進行不同角度的編織，并依據(jù)API 標準進行爆破壓力實驗。實驗結(jié)果可為高壓管線爆破壓力選材及編織角度提供參考依據(jù)。

1 深水鉆井防噴器控制管束

深水防噴器組安裝于水下井口頭上使用，是保證深水鉆井作業(yè)安全的關鍵設備。對于液控防噴器，通過控制管束建立鉆井平臺操作系統(tǒng)與防噴器之間的連接，實現(xiàn)遠程操控防噴器功能。根據(jù)防噴器功能配置，控制管束一般包括1 根1″主供液管線與備用的″信號管線（圖1）。管線包括內(nèi)襯塑料管、纖維編織層、包覆層，其主要失效模式為承壓失效（圖2）。目前，防噴器控制管束主要是由Eaton、Parker 等國外公司生產(chǎn)，價格昂貴、供貨周期長，大大增加了開采成本。因此，自主研發(fā)防噴器液壓控制管束，可節(jié)省大量資金、提高供貨速度，同時形成具有自主知識產(chǎn)權的相關技術與產(chǎn)品，打破技術壟斷，具有良好的經(jīng)濟及社會效益。

圖1 防噴器控制管束結(jié)構

圖2 管束爆破失效

2 管線實驗模型與判定標準

2.1 管線實驗模型

本實驗樣管內(nèi)襯層與外保護層采用擠出成型的加工工藝。選用的以單螺桿擠出機為主體的生產(chǎn)線進行塑料擠出層的加工。實驗采用45 擠出機擠出PA11 材料內(nèi)襯管，擠出機設置參數(shù)見表1。

表1 擠出機擠出溫度 ℃

編織層采用高性能纖維，其發(fā)展經(jīng)過了尼龍纖維、芳綸、UHMWPE、PBO 纖維的歷程，整體向高強度、高模量、細旦化的方向發(fā)展（表2）。編織機按其運動形式分為有錠子式編織機和轉(zhuǎn)盤式編織機。本實驗選用的是錠子式編織機，錠子數(shù)為24。管線采用編織機將纖維長絲按一定規(guī)律互相交織并覆蓋在內(nèi)襯管表面上，成為一個緊密的抗內(nèi)壓層。由于股線以及編織存在有一定規(guī)律，也就建立了編織產(chǎn)品的外徑、編織節(jié)距、股線節(jié)距、股的寬度及每股的線或線數(shù)量之間的關系。對不同的編織材料進行不同角度的編織，編織過程中發(fā)現(xiàn)不同纖維存在不同的最大可編織角度，統(tǒng)一取編織最大角度60°，編織完成后不同角度的外徑見表3，編織完成后的管線如圖3所示。

表2 編織層參數(shù)

表3 編織角度、編織層外徑對應關系

圖3 實驗管加工

編織完成后，通過45 機擠出聚氨酯進行包覆層加工。由于聚氨酯材料的分子結(jié)構中具有醚鍵，易吸潮，因而其含水率較高。高含水率的聚氨酯材料在擠出時會產(chǎn)生很多氣泡，使其無法使用。因此，聚氨酯材料在擠出前必須進行預烘干處理，選用的烘干溫度為90 ℃，烘干時間為4 h。包覆加工完成的管線如圖3d）所示。對包覆完成的管線進行外觀、外徑、橢圓度檢查，確保實驗樣管質(zhì)量合格。

按API 17E—2017 標準完成軟管接頭及壓制設備的研制和選型。根據(jù)現(xiàn)有進口產(chǎn)品定制同等接頭（316 不銹鋼），采購壓扣機進行接頭連接，接頭結(jié)構設計如圖4 所示。管線加工完成后，對兩端采用壓管機進行接頭扣壓，作為爆破實驗的樣管（圖5）。

圖4 接頭結(jié)構設計

圖5 爆破樣管

2.2 實驗標準

（1）實驗標準：參考API 17E—2017 7.3.7.6 Burst，及ISO 1402—2021 8.3 Burst pressure test。

（2）實驗程序：樣品長度不少于400 mm，樣品未發(fā)生老化。在標準實驗溫度下，根據(jù)標準關于液壓軟管爆破實驗的規(guī)定，對每一個試樣進行實驗。升壓至最終壓力，″軟管壓力為82.8 MPa（（3000 psi）×4.0）。

為驗證不同編織角度及編織材料承壓能力，故將實驗樣管打壓直至爆破，取該爆破壓力進行對比。

3 管線實驗結(jié)果與討論

表4 不同纖維編織爆破壓力實驗值 MPa

由表4 可以看出，①隨著編織角度的增大，承壓能力增大；②不同材料纖維旦數(shù)不同，相同編織角度情況下，承壓狀況不同。其規(guī)律與編織角度變化類似，纖維旦數(shù)越大，編織層越厚；編織角度越大，編織層越厚；③針對不同的承壓等級，可根據(jù)管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應旦數(shù)的纖維材料。以本文研究的″信號管線為例，其額定工作壓力為20.7 MPa（3000 psi），根據(jù)API 要求承壓能力需達到4 倍額定工作壓力，即82.8 MPa。根據(jù)實驗結(jié)論，2500D 芳綸編織角55°即可滿足要求。

4 結(jié)論

不同的編織層厚度最大承壓能力不同，2500D 芳綸編織角45°為68.2 MPa、50°為80.3 MPa、55°為92.3 MPa、60°為99.5 MPa。隨著編織角度的增加，編織層厚度增加，承壓能力也相應增加。不同材料纖維旦數(shù)不同，在相同編織角的情況下承壓狀況不同，其規(guī)律與編織角度變化類似，纖維旦數(shù)越大，編織層就厚；編織角度越大，編織層越厚。對不同的承壓等級，可根據(jù)管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應旦數(shù)的纖維材料。