王耀鋒，王定亞，王春春，孫娟，劉宏亮，張彩瑩，羅強(qiáng)

中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司（陜西 寶雞 721001）

海洋隔水管是連通水下防噴器組與鉆井平臺(tái)之間的一條“咽喉通道”，其主要功能包括提供鉆井泥漿循環(huán)通道，水下防噴器組等設(shè)備的安裝，引導(dǎo)鉆具，支撐輔助管線及遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)萚1-3]。海洋隔水管系統(tǒng)主要設(shè)備有安裝試壓具、卡盤、萬向節(jié)、伸縮裝置、張緊環(huán)、單根、灌注閥、終端接頭和撓性裝置等[4]。海洋隔水管是典型的海洋石油高端裝備，具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高收益等特點(diǎn)，該裝備和技術(shù)長(zhǎng)期被歐美國(guó)家的幾個(gè)公司所壟斷。近年來，寶石機(jī)械公司在國(guó)內(nèi)率先開展海洋隔水管系統(tǒng)研究，在多個(gè)國(guó)家級(jí)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下，經(jīng)過10余年海洋隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，累計(jì)獲授權(quán)專利98余件（其中美國(guó)發(fā)明1件，中國(guó)發(fā)明專利31 件，軟件著作權(quán)1 件，實(shí)用新型專利65件），將這些專利技術(shù)進(jìn)行固化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而形成了SY/T 6913—2018《石油天然氣鉆采設(shè)備海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范》。

1 標(biāo)準(zhǔn)概要

SY/T 6913—2018《石油天然氣鉆采設(shè)備海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范》規(guī)范了整個(gè)海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等要求，尤其針對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如：隔水管單根、撓性接頭和球接頭、伸縮裝置、張緊環(huán)、浮力裝置、隔水管起下設(shè)備、終端接頭等裝備，系統(tǒng)地規(guī)定了隔水管的設(shè)計(jì)要求、額定載荷、尺寸和接頭型號(hào)、強(qiáng)度校核方法、材料選擇、焊接要求、過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)內(nèi)容。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，完成了3 個(gè)載荷等級(jí)的海洋隔水管安裝試壓工具、卡盤、萬向節(jié)、伸縮裝置、張緊環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)單根、灌注閥、終端接頭和撓性裝置等共18套樣機(jī)的方案設(shè)計(jì)（圖1）。

圖1 海洋隔水管系統(tǒng)關(guān)鍵裝備

2.1.1 額定載荷

額定載荷應(yīng)該與可能作用在部件上的總組合載荷相對(duì)應(yīng)?？偨M合載荷包括軸向拉伸、彎曲載荷、壓力分離載荷以及任何可作用在部件上的預(yù)載。標(biāo)準(zhǔn)將額定載荷分為2 220 kN(500 kips)、4 450 kN(1 000 kips)、5 560 kN(1 250 kips)、6 670 kN(1 500 kips)、8 900 kN(2 000 kips)等11個(gè)等級(jí)。

式中：A為隔水管橫截面面積，mm2；c為隔水管平均半徑，mm；I為隔水管慣性矩，mm4；D為隔水管外徑，mm；T為張力，kN；M為彎矩，N·m；t為隔水管壁厚，mm；TEQ為等效張力，kN；TDES為軸對(duì)稱拉伸載荷，kN。

2.1.2 應(yīng)力放大系數(shù)（SAF）

應(yīng)力放大系數(shù)說明在隔水管零部件內(nèi)出現(xiàn)的由幾何應(yīng)力放大引起的應(yīng)力增加程度。它用來度量零部件的抗疲勞性能。在最高應(yīng)力的區(qū)域和SAF數(shù)值最高的區(qū)域，計(jì)算的SAF值應(yīng)形成文件。SAF等于零部件局部峰值交變應(yīng)力除以零部件管體上的公稱交變應(yīng)力。

2.1.3 設(shè)計(jì)溫度

不同管線的設(shè)計(jì)最高溫度有所不同。除非采購商指定了更高的溫度，主管和節(jié)流壓井管線的最高設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該為82 ℃（180 ℉），輔助管線的最高設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該為57 ℃（135 ℉）（表1）。

表1 不同管線的設(shè)計(jì)溫度

2.1.4 尺寸和接頭型號(hào)

應(yīng)以主管的尺寸、制造商的接頭型號(hào)來描述隔水管系統(tǒng)。隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及的隔水管管體外徑、壁厚、腐蝕裕量和材料選用都應(yīng)有文件記錄。隔水管主管和相關(guān)接頭的尺寸，通常與特定的BOP組尺寸相兼容。表2給出了BOP與隔水管外徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隔水管接頭分為法蘭式、卡爪式、螺紋式、鎖塊式等4 種結(jié)構(gòu)型式。制造商通常提供額定載荷值不同的隔水管接頭。

表2 BOP與海洋隔水管外徑

2.2 分析計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隔水管系統(tǒng)設(shè)備的具體強(qiáng)度校核方法。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)完成隔水管卡盤的強(qiáng)度校核[5]，結(jié)論為伸縮臂式卡盤裝置的主承載部件左框架、右框架和伸縮臂滿足標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度要求（圖2）。

圖2 卡盤強(qiáng)度校核

2.3 材料選擇

2.3.1 主承載件

該標(biāo)準(zhǔn)明確主承載部件及承壓件的材料選擇應(yīng)考慮載荷類型、疲勞和斷裂、溫度范圍、腐蝕條件、強(qiáng)度要求以及失效后果等。暴露在井筒流體中的節(jié)流和壓井管線金屬材料應(yīng)滿足NACE MR 0175—2015 或 ISO 15156—2015 中定義的酸性環(huán)境服役要求。對(duì)提升安裝類隔水管工具的力學(xué)性能規(guī)定如下：對(duì)于屈服強(qiáng)度≥310 MPa 的材料，3 個(gè)試樣的沖擊功平均值≥42 J（-20 °C）,單個(gè)試樣最小值≥32 J（-20 °C）。

2.3.2 主管

隔水管主管應(yīng)為直縫焊管或無縫管，不允許使用螺旋焊管。主管的夏比V 型缺口沖擊值應(yīng)符合API SPEC 5L—2018中PSL 2的規(guī)定。

2.4 焊接要求

主承載件的所有焊縫、焊工或焊接操作人員的鑒定，應(yīng)按ASME第IX卷—2010或采購方認(rèn)可的其他公認(rèn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；所有焊接工藝應(yīng)進(jìn)行評(píng)定，并滿足與母材相同的沖擊要求；焊接工藝評(píng)定、焊接設(shè)備、焊接操作人員資格和焊接過程應(yīng)符合GB/T 20174—2019的規(guī)定；應(yīng)使用RT或UT對(duì)承壓及主承載零部件上的所有焊縫進(jìn)行100%體積檢查。

2.5 質(zhì)量控制

2.5.1 表面NDT

鐵磁性材料應(yīng)按 ASME BPVC 第 V 卷—2010 標(biāo)準(zhǔn) A 分卷第 7 章和 B 分卷第 25 章或 ASTM E709—2010 進(jìn)行磁粉檢測(cè)。機(jī)加工表面應(yīng)采用濕熒光磁粉法進(jìn)行檢測(cè)，其他表面應(yīng)采用濕磁粉法或干磁粉法進(jìn)行檢測(cè)。

非鐵磁性材料應(yīng)按ASME BPVC 第V 卷—2010標(biāo)準(zhǔn)A分卷第6章和B分卷第24章或ASTM E165—2010進(jìn)行液體滲透法檢測(cè)。

2.5.2 焊縫NDT

在焊接過程中，應(yīng)對(duì)基本焊接參數(shù)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)可接近焊縫以及至少12.7 mm(?″)的周圍基體金屬，應(yīng)按SY/T 6913—2018標(biāo)準(zhǔn)第14.6.7條的方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行檢測(cè)。所有組焊焊縫均應(yīng)按 ASME BPVC 第 V 卷—2010A 分卷第 9 章進(jìn)行目檢。所有主承載和承壓焊縫及其連接焊縫，應(yīng)按SY/T 6913—2018標(biāo)準(zhǔn)第14.6.6.2條進(jìn)行檢測(cè)。

2.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.6.1 額定載荷試驗(yàn)

額定載荷試驗(yàn)用于設(shè)計(jì)確認(rèn)，用來驗(yàn)證有限元方法的正確性，試驗(yàn)時(shí)施加額定載荷。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，必須盡可能真實(shí)地在有限元方法預(yù)測(cè)的5個(gè)遠(yuǎn)離應(yīng)力集中位置和至少5個(gè)高應(yīng)力位置布置應(yīng)變片。

2.6.2 驗(yàn)證載荷試驗(yàn)

驗(yàn)證載荷試驗(yàn)施加載荷為額定載荷的1.5 倍，試驗(yàn)裝置應(yīng)使設(shè)備的加載方式基本與實(shí)際作業(yè)相同，且承載面的接觸區(qū)域基本相同。以海洋隔水管安裝試壓工具為例[6]，對(duì)安裝試壓工具拉力載荷值進(jìn)行分級(jí)加載。首先將載荷施加至2 250 kN，保持3 min，依次增大至3 150、4 000、4 700、5 400、6 000和6 454 kN，保持3 min，最后施加到驗(yàn)證載荷6 750 kN，保持5 min。驗(yàn)證載荷試驗(yàn)中各應(yīng)變片檢測(cè)的應(yīng)力值均未超過材料的屈服強(qiáng)度，試驗(yàn)后鎖塊運(yùn)動(dòng)靈活未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象；各部件無損檢測(cè)結(jié)果滿足圖紙的驗(yàn)收準(zhǔn)則要求（圖3）。

圖3 安裝試壓工具驗(yàn)證載荷試驗(yàn)

2.6.3 壓力試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)分為靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)。以海洋隔水管安裝試壓工具為例，對(duì)安裝試壓工具各輔助管線壓力進(jìn)行分級(jí)加載。靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)中節(jié)流壓井管線試驗(yàn)壓力105 MPa，密封試驗(yàn)中節(jié)流壓井管線試驗(yàn)壓力70 MPa。壓力試驗(yàn)結(jié)果表明，在穩(wěn)壓期內(nèi)節(jié)流壓井管線未出現(xiàn)任何滲漏、冒汗現(xiàn)象，保壓期間壓力變化滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6.4 功能試驗(yàn)

功能試驗(yàn)的目的是保證部件的可操作性。功能試驗(yàn)應(yīng)在產(chǎn)品載荷試驗(yàn)后并按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行無損檢測(cè)合格后方可進(jìn)行。以海洋隔水管張緊環(huán)為例（圖4），功能試驗(yàn)主要包括液壓定位銷運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、輔助管線密封心軸運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、液控軸桿運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、連接鎖緊銷運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)等。試驗(yàn)中各運(yùn)動(dòng)部件伸出尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)動(dòng)靈活未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

圖4 張緊環(huán)功能試驗(yàn)

3 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)分析

API SPEC 16F—2017[7]規(guī)范了隔水管系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等要求。API SPEC 16F—2017第14章隔水管起下設(shè)備中未針對(duì)隔水管下入工具、卡盤、萬向節(jié)等關(guān)鍵裝備作出額定載荷、材料選擇、焊接要求、過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等具體要求，僅簡(jiǎn)單說明參考API APEC 8C—2012 相關(guān)內(nèi)容要求。因API APEC 8C—2012產(chǎn)品與API SPEC 16F—2017的隔水管系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)品具體的應(yīng)用工況差別較大，所以SY/T 6913—2018 針對(duì)隔水管下入工具、卡盤、萬向節(jié)等關(guān)鍵裝備作出額定載荷、材料選擇、焊接要求、過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等具體要求。

4 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

4.1 國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目

該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)規(guī)范了整個(gè)海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等要求等，應(yīng)用在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究”（編號(hào)：2008AA09A106）、“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”（編號(hào)：2013AA09A222）、工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“海洋鉆井平臺(tái)用深海隔水管系統(tǒng)研究及關(guān)鍵部件研制”（工信部裝［2014］162）中，創(chuàng)新研制的18 套樣機(jī)全部通過API（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）和CCS（中國(guó)船級(jí)社）的第三方認(rèn)證，打破了國(guó)外在海洋高端裝備的壟斷，多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

4.2 訂單項(xiàng)目

依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)研制的南海2號(hào)隔水管卡盤、勘探3號(hào)隔水管伸縮裝置已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)性應(yīng)用（圖5）。該標(biāo)準(zhǔn)成功應(yīng)用在海洋石油981、亞馬遜、南海8號(hào)、南海9 號(hào)、勘探3 號(hào)、勘探4 號(hào)等6 個(gè)平臺(tái)的海洋隔水管設(shè)備再制造工程中，使得155 根廢舊隔水管實(shí)現(xiàn)了再利用，有效保障了國(guó)家石油能源安全。

圖5 南海2號(hào)隔水管卡盤工業(yè)性應(yīng)用

5 結(jié)論

1）SY/T 6913—2018 規(guī)范了整個(gè)海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等要求，系統(tǒng)地規(guī)定了隔水管的設(shè)計(jì)要求、額定載荷、尺寸和接頭型號(hào)、強(qiáng)度校核方法、材料選擇、焊接要求、過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)內(nèi)容，為規(guī)范該產(chǎn)品的運(yùn)行流程、質(zhì)量控制、試驗(yàn)檢驗(yàn)等提供了科學(xué)有效的方法，對(duì)提升產(chǎn)品性能、保證產(chǎn)品質(zhì)量、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2）該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來，已先后指導(dǎo)了多個(gè)重大科技項(xiàng)目的攻關(guān)實(shí)施和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的有效運(yùn)行，先后攻克了我國(guó)深海油氣鉆井裝備多項(xiàng)“卡脖子”工程，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯，整體提升了我國(guó)隔水管產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，形成了優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品發(fā)展前景好。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用前景十分廣闊。