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，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將設備起出至平臺進行維修。若管束失效將導致停產，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品，針對國外生產的柔性立管（含金屬結構）的研究較多。李文博等[1]借助ABAQUS 軟件，針對非黏結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工藝對承壓性能的影響，依據公稱直徑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，研究了纖維鋪層數量、纖維纏繞角度以及內襯層壁厚等工藝參數對復合管承壓性能的影響。Cui Can[4]利用SHPB 實驗機系統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、實時漸進破壞規律和斷裂機理。Xia M 等[5]對內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，分析了管道生產制造及運行過程的缺陷對其力學性能的影響。

雖然國內外已開展多項研究，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，通過擠出機擠出內襯管后，采用不同纖維材料進行不同角度的編織，并依據API 標準進行爆破壓力實驗。實驗結果可為高壓管線爆破壓力選材及編織角度提供參考依據。

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與防噴器之間的連接，實現遠程操控防噴器功能。根據防噴器功能配置，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，價格昂貴、供貨周期長，大大增加了開采成本。因此，自主研發防噴器液壓控制管束，可節省大量資金、提高供貨速度，同時形成具有自主知識產權的相關技術與產品，打破技術壟斷，具有良好的經濟及社會效益。

圖1 防噴器控制管束結構

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 材料內襯管，擠出機設置參數見表1。

表1 擠出機擠出溫度 ℃

編織層采用高性能纖維，其發展經過了尼龍纖維、芳綸、UHMWPE、PBO 纖維的歷程，整體向高強度、高模量、細旦化的方向發展（表2）。編織機按其運動形式分為有錠子式編織機和轉盤式編織機。本實驗選用的是錠子式編織機，錠子數為24。管線采用編織機將纖維長絲按一定規律互相交織并覆蓋在內襯管表面上，成為一個緊密的抗內壓層。由于股線以及編織存在有一定規律，也就建立了編織產品的外徑、編織節距、股線節距、股的寬度及每股的線或線數量之間的關系。對不同的編織材料進行不同角度的編織，編織過程中發現不同纖維存在不同的最大可編織角度，統一取編織最大角度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

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。根據現有進口產品定制同等接頭（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，樣品未發生老化。在標準實驗溫度下，根據標準關于液壓軟管爆破實驗的規定，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不同材料纖維旦數不同，相同編織角度情況下，承壓狀況不同。其規律與編織角度變化類似，纖維旦數越大，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，可根據管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應旦數的纖維材料。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API 要求承壓能力需達到4 倍額定工作壓力，即82.8 MPa。根據實驗結論，2500D 芳綸編織角55°即可滿足要求。

4 結論

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。不同材料纖維旦數不同，在相同編織角的情況下承壓狀況不同，其規律與編織角度變化類似，纖維旦數越大，編織層就厚；編織角度越大，編織層越厚。對不同的承壓等級，可根據管線要求的編織層厚度（管線外徑），選擇相應旦數的纖維材料。