一種海上模塊鉆機(jī)鉆完井高壓管匯安全評(píng)估方法及應(yīng)用

吳小龍 張海洋 蔡鵬 羅衡

摘要：隨著石油化工行業(yè)的發(fā)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(jī)高壓管匯的特殊性，受到流體、泥漿等長(zhǎng)期的沖蝕以及海上惡劣環(huán)境的腐蝕，高壓管匯的管壁會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，而鉆完井作業(yè)井控是第一風(fēng)險(xiǎn)，高壓管匯是實(shí)現(xiàn)井控控制井下壓力的必備武器，因此評(píng)估高壓管匯是否處于安全的現(xiàn)狀，非常重要。通過(guò)選擇合適的測(cè)厚技術(shù)檢測(cè)高壓管匯的薄弱點(diǎn)，結(jié)合有限元軟件ABAQUS對(duì)管匯進(jìn)行三維建模仿真，依據(jù)應(yīng)力云圖分析結(jié)果比對(duì)許應(yīng)壓力與屈服強(qiáng)度，可評(píng)估高壓管匯的安全性。

關(guān)鍵詞：高壓管匯;管道測(cè)厚;有限元仿真;模塊鉆機(jī);許應(yīng)壓力

1檢測(cè)部位選擇

在進(jìn)行測(cè)厚前，首先要選擇好各高壓管匯的檢測(cè)部位，測(cè)厚部位選擇合適既可以節(jié)省材料，又能提高檢測(cè)結(jié)果的客觀性與準(zhǔn)確性。

測(cè)厚部位的選擇可以從以下幾個(gè)方面考慮[1]：

???? 從設(shè)備的結(jié)構(gòu)上考慮，包括高壓管匯的底部及死角區(qū)、高壓管匯的大小變徑的過(guò)渡區(qū)、高壓管匯的彎頭部位、高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的進(jìn)出口管處。

???? 從設(shè)備的應(yīng)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(qū)域、不同壁厚的焊接區(qū)域附近、壓力變化較大的設(shè)備等處減薄較為厲害。

海上模塊鉆機(jī)鉆完井高壓管匯應(yīng)選擇使用過(guò)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(jìn)出口部位、液位波動(dòng)部位、不等厚連接部位等[2]。

2超聲波測(cè)厚

目前用于測(cè)厚的技術(shù)主要有漏磁法、脈沖渦流法、超聲波法等幾種。其中超聲波測(cè)厚技術(shù)能夠在不損壞管道的情況下，準(zhǔn)確測(cè)量管道壁厚，還能夠發(fā)現(xiàn)管道的內(nèi)部缺陷，對(duì)保障管道安全，提高管道工程質(zhì)量具有重要作用，是檢測(cè)管道壁厚的理想方法。超聲測(cè)厚技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于管道鋼管壁厚的測(cè)量，以及油井管壁厚的檢測(cè)，超聲波測(cè)厚在管道鋼管和油井管的檢測(cè)中有著重要的意義[3]。鉆完井高壓管匯安全性評(píng)估適宜選用超聲波測(cè)厚技術(shù)進(jìn)行厚度測(cè)量與檢測(cè)。

3有限元仿真

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)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(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題，不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。ABAQUS集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域研究，致力于解決該領(lǐng)域的深層次實(shí)際問(wèn)題[4]。因此海上模塊鉆機(jī)鉆完井高壓管匯安全性評(píng)估優(yōu)選ABAQUS有限元軟件進(jìn)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(yīng)力云圖繪制等。

4安全評(píng)估

鉆完井高壓管匯安全性評(píng)估主要是將通過(guò)使用有限元軟件模擬各管匯腐蝕磨損之后的最大應(yīng)力值與該管匯材質(zhì)許用應(yīng)力進(jìn)行比較，若最大應(yīng)力值σ max ≤ 許用應(yīng)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(shí)通常使用強(qiáng)度準(zhǔn)則：

5評(píng)估方法應(yīng)用

海上某模塊鉆機(jī)鉆井高壓設(shè)備主要包括節(jié)流壓井管匯、立管管匯、固井管匯等，采用該評(píng)估方法對(duì)包括天車鵝頸管、高壓泥漿管等在內(nèi)的11個(gè)部位的管匯進(jìn)行安全評(píng)估。

5.1 檢測(cè)部位選擇

（1）三通、彎頭（彎管）、異徑管、支管連接及介質(zhì)流動(dòng)的死角部位;

（2）曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)影響管道安全運(yùn)行的問(wèn)題部位;

（3）處于生產(chǎn)流程要害部位的管段以及重要裝置或設(shè)備連接的管段。

5.2測(cè)厚儀取點(diǎn)

對(duì)管道進(jìn)行壁厚的測(cè)定，采用超聲波測(cè)厚的方法。

（1）彎頭（彎管）：應(yīng)用測(cè)厚儀在彎頭背弧側(cè)中心線上取點(diǎn)測(cè)量;

（2）三通：應(yīng)測(cè)三通肩部與腹部最薄點(diǎn);

（3）異徑管：應(yīng)測(cè)大頭一側(cè)最薄點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)異徑管道壁厚有異常情況時(shí)，應(yīng)在附近增加測(cè)點(diǎn)，并確定異常區(qū)域大小。

5.3超聲波測(cè)厚（直管段、彎管段）

6總結(jié)

通過(guò)對(duì)海上某模塊鉆機(jī)鉆井高壓管匯的安全評(píng)估可知，選擇合適的高壓管匯超聲波測(cè)厚技術(shù)檢測(cè)不同類型高壓管匯的薄弱點(diǎn)，然后結(jié)合商業(yè)有限元軟件ABAQUS對(duì)管匯進(jìn)行有限元三維建模仿真，依據(jù)仿真模型應(yīng)力云圖分析結(jié)果比對(duì)安全系數(shù)是否在安全范圍，從而評(píng)估高壓管匯的安全性的方法可行有效。該評(píng)估方法解決了高壓管匯是否安全的問(wèn)題，為長(zhǎng)期鉆完井作業(yè)避免了管道泄漏的隱患，降低管道維護(hù)及更換的成本，為鉆完井安全評(píng)估提供重要的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]黃勝清.超聲波測(cè)厚技術(shù)的應(yīng)用[J].化工管理，2015，（第9期）.