蒲　定， 郝偉修， 張鵬舉， 汪偉俊

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200941)

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水下采油樹出油管線的工藝改進及驗證

蒲定1， 郝偉修1， 張鵬舉2， 汪偉俊2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200941)

摘要：水下采油樹出油管線是油氣從采油樹本體輸出到生產(chǎn)管匯的橋梁，其加工工藝直接影響油氣生產(chǎn)的安全性和作業(yè)區(qū)海洋環(huán)境。該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進行加工工藝改進，實現(xiàn)一次冷彎成型，并通過驗證和對比，證明了改進后的工藝能夠有效地提升采油樹出油管線的質(zhì)量要求和安全性能。

關(guān)鍵詞：水下采油樹；工藝改進；冷彎成型

0引言

水下采油樹(Subsea Christmas tree)是海洋石油開采中的核心關(guān)鍵設(shè)備，主要用于控制和調(diào)節(jié)油井生產(chǎn)、保證作業(yè)安全、錄取油套壓力資料、測試及清蠟等生產(chǎn)管理，其主要由油管掛、樹本體、閥門、三通/四通、出油管線組成。水下采油樹設(shè)備上的出油管線分為生產(chǎn)管線、環(huán)空管線、跨接管線三種。生產(chǎn)管線為主要的原油輸送通道，環(huán)空管線為備用的原油通道，跨接管線為原油泄放通道。不同的制作工藝，對于水下采油樹出油管線的安全性、可靠性及使用壽命有不同的影響。該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進行加工工藝改進研究，研發(fā)了一種全新的一次有芯冷彎成型工藝，經(jīng)過實驗驗證和對比，有效地提高了管線的安全性能。

1水下采油樹X60管線選材性能標準

X60是管線鋼的一種，其中X在API標準中代表管線鋼，60是強度級別，其單位是kpsi，X60表示最小屈服強度為60 kpsi的管線鋼。該文選取的X60管線的材料等級為PSL2，水下采油樹出油管線如圖1所示。

圖1　水下采油樹出油管線

1.1X60管線執(zhí)行標準及規(guī)格

執(zhí)行標準：API SPEC 5L；

制作工藝標準：ASTM B 31.3；

規(guī)格：外徑4-1/2′，8.6 mm≤壁厚≤10.5 mm；

主要用途：用于石油、天然氣工業(yè)中的氣、水、油輸送。

1.2X60管線材料性能要求

(1) 化學性能

表1、表2中詳細列舉了X60鋼管PSL1、PSL2等級時無縫鋼管和焊接鋼管的化學元素含量。

表1　X60 PSL1鋼管化學成分(重量百分比)要求

表2　X60 PSL2鋼管化學成分(重量百分比)要求

(2) 力學性能

表3、表4分別表示X60鋼管PSL1、PSL2等級時的力學性能要求。

表3　X60 PSL1拉伸要求

表4　X60 PSL2拉伸要求

2水下采油樹X60管線制作工藝改進

2.1X60管線彎制制作工藝性能要求

(1) 壁厚減薄量要求

表5為API 5L標準中對壁厚偏差值的要求。

表5　壁厚允許偏差(API 5L)

(2) 彎曲壓扁度

彎曲的壓扁度用截面最大直徑和最小直徑之差來度量。對內(nèi)壓管而言，不應(yīng)超過管子公稱外徑的8%，對外壓管不超過3%，且不應(yīng)將管子金屬去除掉來達到此要求。

2.2常規(guī)“熱彎+組焊接成型”制作工藝優(yōu)缺點

水下采油樹常規(guī)使用的管線多是按圖紙規(guī)格及相關(guān)標準要求，將多彎的管線，對彎制部分采用熱彎技術(shù)成型后進行分組焊接成型，如圖2所示。

圖2　“熱彎+組焊接成型”制作工藝制作的彎管

優(yōu)點：制作比較簡便，易加工，易成型。

缺點：(1) 耗時長，需要配備專業(yè)的焊工及有效的焊接工藝評定，焊接后需專業(yè)探傷人員進行RT探傷檢測，易存在因焊接造成的內(nèi)部缺陷彎，且管內(nèi)壁焊縫不容易處理，會產(chǎn)生臺階現(xiàn)象，在原油內(nèi)壁流動時易形成定點腐蝕，從而造成介質(zhì)泄露隱患；(2) 因為熱彎，對X60管的機械性能會有影響，且彎制成型后管線橢圓度與減薄量相關(guān)標準要求都在上限公差范圍左右，容易超標。

2.3改進的“一體有芯冷彎成型”制作工藝

在保證工藝性能的前提下，改進了一種“一體有芯冷彎成型制作工藝”，具體改進方法如下：

(1) 彎制前修磨去除內(nèi)外表面的拉傷及撞痕；

(2) 遵照相關(guān)標準要求制作的Φ114R=350專用模具；

(3) 彎制速度為100 mm/min或根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)；

(4) 彎制外徑由模具控制，內(nèi)徑彎制由模具設(shè)計和加工精度控制；

(5) 依照彎曲母管的屈服和抗拉強度計算回彈量，確定模具的彎曲半徑；

(6) 由數(shù)控編碼器進行角度控制，所需彎曲角度加5°回彈余量；

(7) 在大平臺上放樣檢測彎曲角度，彎制前每30 cm測量管材壁厚，將較厚的一側(cè)作為彎管外弧。

其優(yōu)點為：(1) 一體有芯冷彎成型減少了因焊接可能造成的泄漏因素，且有芯冷彎后的管線橢圓度與減薄量相關(guān)標準要求比熱彎后的相關(guān)數(shù)據(jù)都有了明顯提高，完全符合API 5L與ASTM B 31.3規(guī)范的要求；(2) 避免了因熱彎造成的機械性能損失。

其缺點為：對彎制工藝要求比較嚴格，對操作人員及設(shè)備有較高的要求。

一體有芯冷彎成型工藝制作的彎管如圖3所示。

圖3　一體有芯冷彎成型工藝制作的彎管

3改進的管線制作工藝性能驗證

通過性能實驗和無損檢驗對改進的“一體有芯冷彎成型”彎管制作工藝進行了驗證，并和常規(guī)的“熱彎+組焊接成型”制作工藝進行對比。

3.1水下采油樹X60彎管性能實驗要求

類型：靜水壓；

介質(zhì)：水；

溫度：常溫；

試驗設(shè)備：必須保證有校期內(nèi)；

額定工作壓力：2 250 psi；

試驗靜水壓：3 400 psi。

表6中詳細描述了對X60鋼管做靜水壓試驗的要求。

表6　保壓時間

要求：保壓期間無可見滲漏。如使用壓力監(jiān)控儀表或圖形記錄儀進行試驗證明，圖形記錄顯示的壓降速率不宜超過試驗壓力的3%，最終壓力不應(yīng)低于保壓期結(jié)束之前的試驗壓力，初始試驗壓力不應(yīng)高出規(guī)定試驗壓力的5%。

3.2水下采油樹X60彎管無損檢驗要求

表7中詳細描述了API 5L對X60鋼管的NDT要求

表7　管體無損檢驗方法-無縫鋼管

表7中：EMI為電磁檢驗；UT為超聲檢驗；MT為磁粉檢驗；A為采用一種方法或方法組合；AI為若在訂購單上規(guī)定無損檢驗，則采用一種方法或方法組合。

3.3改進的工藝性能驗證對比

將改進的“一體有芯冷彎成型”和常規(guī)的“熱彎+組焊接成型”兩種水下采油樹出油管線彎制工藝進行了驗證對比，見表8。由表8可以看出，改進的“一體有芯冷彎成型”工藝制作的管線橢圓度與減薄量等標準指標，比熱彎后的相關(guān)數(shù)據(jù)都有了明顯提高，完全符合API 5L與ASTM B 31.3規(guī)范的要求。

表8　改進的工藝與常規(guī)工藝對比

續(xù)表8　改進的工藝與常規(guī)工藝對比

3.4改進的工藝成本對比

表9中記錄了熱彎組焊接成型管與一體有芯冷彎成型管生產(chǎn)工藝價格的對比。

表9　改進的工藝成本對比

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的“熱彎+組焊成型工藝”的工序繁瑣，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，存在一定的反工現(xiàn)象，加工周期長，成本較高相對也較高。而改進的“一體有芯冷彎成型”周期較短，彎制質(zhì)量穩(wěn)定，成本較低。

4結(jié)論

該文選取X60材料的水下采油樹出油管線進行加工工藝改進研究，設(shè)計了一種全新的一次有芯冷彎成型工藝，并通過實驗驗證和對比，證明改進后的工藝能夠有效的提升采油樹出油管線的質(zhì)量要求和安全性能，對于有更高品質(zhì)要求的海洋石油設(shè)備可以更加有效地保障品質(zhì)安全，同時也可降低企業(yè)的制造成本與制造周期，實現(xiàn)制造加工企業(yè)與設(shè)備使用方雙贏的局面。該工藝目前已廣泛推廣運用于多項國產(chǎn)水下設(shè)備項目中。

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收稿日期：2015-12-10

作者簡介：蒲定(1982-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0095-06

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

Process Improvement and Verification of Flowlines for Subsea Christmas Tree

PU Ding1, HAO Wei-Xiu1, ZHANG Peng-Ju2, WANG Wei-Jun2

(1.China National Offshore Oil Corporation， Guangdong Zhuhai 519000， China；2. Meizuan Energy Technology (Shanghai) Co.， Ltd, Shanghai 200941,China)

Abstract：The flowlines of the subsea Christmas tree is the bridge for oil&gas from the Christmas tree body to the manifold，the processing technology of which directly affects the safety of oil&gas production and the marine environment in the operating area. This article introduces the process improvement of flowlines(select X60 as material)of the subsea Christmas tree，achieving a cold roll forming and proves that the improved processing can effectively enhance the quality requirements and safety performance of the flowlines by verification and comparison.

Keywords：subsea Christmas tree; process improvement; cold roll forming