水 下油氣裝備對(duì)可靠性 要求非常高，下水前 必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的地面 試驗(yàn)。由于我國(guó)水下 油氣裝備產(chǎn)業(yè)起步較晚，使用的裝 備基本依賴進(jìn)口，同時(shí)也沒(méi)有成熟 的試驗(yàn)技術(shù)可以借鑒。以水下井口 系統(tǒng)中的核心部件套管懸掛器為例， 結(jié)合 API 規(guī)范，開(kāi)展套管懸掛器地 面試驗(yàn)技術(shù)研究，對(duì)套管懸掛器地 面試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了梳理，詳細(xì)闡述 各項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)流程及驗(yàn)收準(zhǔn)則， 構(gòu)建系統(tǒng)規(guī)范的套管懸掛器地面試 驗(yàn)技術(shù)體系，為其它水下油氣裝備 的地面試驗(yàn)提供指導(dǎo)和借鑒。
套管懸掛器應(yīng)用試驗(yàn)
套管懸掛器是水下井口頭系統(tǒng) 的關(guān)鍵部件，安裝在每個(gè)套管柱的 頂端， 通過(guò)螺紋與其相連， 支撐管柱。 一般設(shè)計(jì)有工具鎖緊槽及流道孔， 前者實(shí)現(xiàn)與下放工具連接，后者主 要用于平衡工具上下兩端的壓力， 降 低 下 放 阻 力。 待 測(cè) 套 管 懸 掛 器 為兩種規(guī)格，分別為 9- 5 / 8 "、13- 3 / 8 "， 額 定 工 作 壓 力 10,000psi， 材 料 等 級(jí) EE 級(jí)， 最 大 懸 掛 載 荷 450t。
根據(jù) API 17D 要求，套管懸掛 器應(yīng)視為控壓件，需要進(jìn)行性能鑒 定試驗(yàn)及工廠驗(yàn)收試驗(yàn)。套管懸掛 器的性能鑒定試驗(yàn)應(yīng)符合 API 17D 5.1.7 的要求，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)壓性能鑒定 試驗(yàn)， 以驗(yàn)證懸掛器的結(jié)構(gòu)完整性。 該試驗(yàn)不應(yīng)受套管鋼級(jí)和螺紋的限 制。采用性能驗(yàn)證程序來(lái)鑒定套管 懸掛器時(shí)，應(yīng)能生產(chǎn)在設(shè)計(jì)、尺寸 / 公差、制造流程、偏差和材料方面 具有代表性的樣機(jī)。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì) 在配合、型式、功能或材料方面有 任何更改，應(yīng)將對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生影 響的相應(yīng)更改形成文件。有實(shí)質(zhì)性 更改的設(shè)計(jì)應(yīng)視為一種新設(shè)計(jì)，要 求重新試驗(yàn)。套管懸掛器性能鑒定 試驗(yàn)主要包括靜水壓試驗(yàn)、壓力循 環(huán)試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)，而套管懸掛器 的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行尺寸檢 查或通徑試驗(yàn)。
靜水壓試驗(yàn)
靜 水 壓 試 驗(yàn) 的 主 要 目 的 是 檢 測(cè)套管懸掛器承壓狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)完 整 性。 試 驗(yàn) 壓 力 為 15,000psi， 試 驗(yàn) 介 質(zhì) 為 自 來(lái) 水。 首 先 按 照 圖 紙 組 裝 試 驗(yàn) 裝 置， 連 接 壓 力 管 線，開(kāi)啟靜水壓試驗(yàn)系統(tǒng)；打壓至 15,000psi，斷開(kāi)壓力源，待壓力 穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)， 保壓 3 分鐘， 泄壓； 再次打壓至 15,000psi，斷開(kāi)壓力 源，待壓力穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保壓 15 分鐘，泄壓；試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試裝置無(wú)可見(jiàn)泄露，且 3 分 鐘壓降小于 0.17MPa，15 分鐘壓降 小于 0.86MPa，則可確定套管懸掛 器的靜水壓試驗(yàn)合格。由于套管懸 掛器上下兩端內(nèi)徑存在差值，進(jìn)行 壓力試驗(yàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向載 荷。
在進(jìn)行試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì) 堵頭，將軸向力傳遞到套管懸掛器 本體上。套管懸掛器靜水壓試驗(yàn)裝 置主要由套筒和堵頭組成，套筒與 堵頭通過(guò)螺紋連接，如圖 2 所示。 經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)壓力為 15,000psi 時(shí)，產(chǎn)生的軸向載荷為 5,071KN。 M150 螺 紋 承 受 剪 切 載 荷， 有 效 螺紋長(zhǎng)度 145mm，經(jīng)計(jì)算，剪切 強(qiáng)度為 74.26MPa；套筒材料選用 30CrMo， 抗 拉 強(qiáng) 度 930MPa， 許 用 剪 應(yīng) 力 558MPa， 得 到 安 全 系 數(shù) n 為 7.51，螺紋強(qiáng)度滿足要求。 采用 ABAQUS 軟件對(duì)堵頭強(qiáng)度進(jìn) 行校核。建立三維實(shí)體模型，采用 C3D8R 線性六面體網(wǎng)格。將堵頭螺 紋區(qū)域施加載荷 5,071KN，堵頭下 端與套筒底端接觸區(qū)域添加固定約 束。計(jì)算結(jié)果顯示，最大 Mises 應(yīng) 力為 369.1MPa，堵頭屈服應(yīng)力為 735MPa，安全系數(shù)為 1.99，結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度滿足要求。
壓力循環(huán)試驗(yàn)
壓力循環(huán)試驗(yàn)的目的是檢測(cè)套 管懸掛器壓力循環(huán)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)完 整 性。 試 驗(yàn) 壓 力 為 15,000psi， 試 驗(yàn) 介 質(zhì) 為 自 來(lái) 水。 首 先 根 據(jù) 圖 紙 組 裝 試 驗(yàn) 裝 置， 連 接 壓 力 管 線， 開(kāi) 啟 靜 水 壓 試 驗(yàn) 系 統(tǒng)。 打 壓 至 15,000psi，斷開(kāi)壓力源，壓力 穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保壓 3 分鐘，泄 壓；打壓至 15,000psi，斷開(kāi)壓力 源；壓力穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保壓 15 分鐘，泄壓；打壓至 10,000psi， 泄 壓， 循 環(huán) 三 次； 再 次 打 壓 至 15,000psi，斷開(kāi)壓力源，壓力穩(wěn) 定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保壓 3 分鐘，泄壓； 打壓至 15,000psi，斷開(kāi)壓力源， 壓力穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保壓 15 分 鐘，泄壓；試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中 測(cè)試裝置無(wú)可見(jiàn)泄露，且 3 分鐘壓 降小于 0.17MPa，15 分鐘壓降小于 0.86MPa，則可確定套管懸掛器的 壓力循環(huán)試驗(yàn)合格。套管懸掛器的 壓力循環(huán)試驗(yàn)裝置與靜水壓試驗(yàn)裝 置一致。根據(jù)試驗(yàn)程序，對(duì) 9- 5 / 8 ″ 套管懸掛器進(jìn)行了壓力循環(huán)試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。
載荷試驗(yàn)
套管懸掛器載荷試驗(yàn)的目的是 校核套管懸掛器懸掛承載能力，試 驗(yàn)載荷為 450t。按圖紙將套管懸掛 器與試驗(yàn)裝置裝配后，平穩(wěn)放置在 壓力機(jī)上；施加 450t；檢查套管懸 掛器外觀，檢測(cè)并記錄關(guān)鍵尺寸。 試驗(yàn)后套管懸掛器結(jié)構(gòu)完整，待測(cè) 尺寸變化在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，則載荷試 驗(yàn)合格。套管懸掛器外部設(shè)計(jì)支撐 圖 2 9- 5 / 8 ″ 套管懸掛器壓力試驗(yàn)裝置 1、套筒；2-3、O 型圈（擋圈）；4、套管掛；5-6、O 型圈（擋圈）；7、堵頭 套，下端設(shè)計(jì)連接頭，通過(guò)中心壓 桿施加壓載，達(dá)到利用壓機(jī)檢測(cè)套 管懸掛器懸掛能力的目的。
試驗(yàn)后， 13- 3 / 8 " 套管懸掛器未發(fā)生塑性變 形，主要尺寸變化在設(shè)計(jì)允許范圍 內(nèi)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足。 最后，進(jìn)行工廠驗(yàn)收試驗(yàn)。試 驗(yàn)的目的是檢測(cè)套管懸掛器關(guān)鍵尺 寸及部件間裝配是否符合設(shè)計(jì)要求。 依據(jù) API-6A、 API-17D 標(biāo)準(zhǔn)要求， 開(kāi)展套管懸掛器地面試驗(yàn)技術(shù)研究， 梳理了套管懸掛器地面試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)， 并詳細(xì)闡述靜水壓試驗(yàn)、壓力循環(huán) 試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)及出廠驗(yàn)收試驗(yàn)的 試驗(yàn)流程、驗(yàn)收準(zhǔn)則；充分考慮試 驗(yàn)的可操作性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，優(yōu) 化設(shè)計(jì)，完成試驗(yàn)裝置的研制，并 最終通過(guò)試驗(yàn)，完成了對(duì)套管懸掛 器的地面測(cè)試，初步建立了系統(tǒng)的 套管懸掛器地面試驗(yàn)技術(shù)體系，為 其它水下裝備地面試驗(yàn)提供借鑒與 參考。
（注：此文為 863 計(jì)劃“深水油氣勘 探開(kāi)發(fā)技術(shù)與裝備”項(xiàng)目“海洋石油 水下井口頭系統(tǒng)工程化研制” 課題 （課 題編號(hào)：2013AA09A221）。）
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