0 引言

海洋钻井隔水管是连通水下防喷器组到钻井平台之间的一条“咽喉通道”，其主要功能包括提供钻井液循环通道，水下防喷器组等设备的安装，引导钻具，支撑辅助管线及远程信息传输等^[1]。安装试压工具是海洋钻井隔水管系统的关键装备，其主要功能包括2方面：①起吊和下放隔水管系统及其组件；②用于辅助管线的现场试压^[2-8]。目前，国际上比较成熟且流行的隔水管安装试压工具为分体式结构，即采用安装工具和试压工具2种装置来分别实施安装与试压作业，且该技术在世界范围内一直被美国国民油井公司(NOV)和挪威MH公司垄断，我国尚无成熟的技术和产品。基于以上原因，为加快我国海洋装备的开发速度，完善我国钻井隔水管系统配套能力，宝鸡石油机械有限责任公司在国家“863”科技攻关项目和工信部海洋重大攻关项目的大力支持下，开发研制了一种集安装与试压作业功能为一体的集成式隔水管安装试压工具。该工具的成功研制对完善我国钻井隔水管系统的配套能力具有重大意义。

1 技术分析 1.1 结构

集成式安装试压工具主要由提升短节、固定板、法兰盘、液压缸总成、驱动筒及隔水管总成等部件组成^[9]，结构如图 1所示。壳体的内部空腔中依次设置有提升短节、液压缸总成和驱动筒，壳体圆周方向设置有开槽，隔水管法兰中圆周方向设置有锯齿凹面，驱动筒的圆周上设置的凹面与锁块的凸面接触，锁块的锯齿凸台与隔水管法兰内表面上的锯齿凹台面相对应；提升短节的内部开有A油口和B油口，A油口和B油口分别与液压缸总成的油孔和油管相对应连通；驱动筒与壳体中设置有指示杆，用于指示驱动筒与壳体的位移量；壳体外套装有法兰盘，法兰盘中设置有试压头，试压头的侧面安装有压板，壳体和法兰盘的提升短节一端面安装有固定板；锁块包括有上、下2组执行机构，每组执行机构包括连接板，连接板通过螺栓与锁块连接，连接板与壳体的盲孔之间安装有弹簧。

1.2 工作原理

集成式安装试压工具设计原理是利用液压油缸直接驱动，通过斜面推动执行机构按设计的位置运行的工作原理，达到锁合状态完成安装作业，利用弹簧弹力达到脱开状态，可取出工具；同时能够适应相应管线的试压作业，达到了操作便捷、安全可靠以及工作效率高的目的。

1.3 主要技术参数

额定载荷4 500 kN，节流压井试压接头工作压力70 MPa，液压试压接头工作压力21 MPa，钻井液增压试压接头工作压力35 MPa，液缸驱动压力2.5 MPa。

2 有限元分析 2.1 有限元模型建立

根据集成式安装试压工具的工作原理和结构特点，对有限元模型进行简化。该工具共有6个锁块沿圆周方向均布，简化后的有限元模型为原模型的1/12，采用ABAQUS软件建立有限元模型，如图 2所示。

2.2 材料力学性能参数

集成式安装试压工具中锁块、法兰和壳体材料均采用高强度合金钢调质处理。其中锁块材料屈服强度σ_s≥835 MPa，拉伸强度σ_b≥1 080 MPa；法兰材料屈服强度σ_s≥588 MPa，拉伸强度σ_b≥784 MPa；壳体材料屈服强度σ_s≥696 MPa，拉伸强度σ_b≥870 MPa。

2.3 边界条件及载荷

在模型的两个侧边施加对称约束，该工具壳体的底面部分施加竖向(即软件中的y方向)约束，锁块的背面施加横向(即软件中的x方向)约束，法兰的上表面施加额定载荷。

2.4 单元划分

采用C3D8单元，共计划分网格194 099个，节点数213 097个，对接触部位进行局部网格细化。划分网格后的有限元模型如图 2所示。

2.5 计算结果及分析

有限元分析计算结果如图 3~图 6所示。结果表明锁块最大Mises应力为812.6 MPa，法兰最大Mises应力为562.7 MPa，壳体最大Mises应力为537.8 MPa。

但是从图 3至图 6还可以看出，各部件的最大应力点都是由结构不连续造成，按照相关标准给出的相应判别准则可知，该部分不需要考虑，因此在随后的应力线性化的线性化路径就不取该点作为应力线性化的端点。

参照文献[10]，按照式(1)进行强度校核，采用ABAQUS软件对各部件的最大等效应力进行线性化，得到的结果如表 1所示。

(1)

式中：S_m=0.9σ_s，MPa；σ_s为材料屈服强度，MPa；P_m为总体一次薄膜应力，MPa；P_b为一次弯曲应力，MPa；P_L是局部一次薄膜应力，MPa；Q为二次应力，MPa。

将表 1所得的应力线性化结果与式(1)进行比较，锁块、法兰和壳体均满足式(1)强度校核公式。

3 试验验证 3.1 额定载荷试验

额定载荷试验用于设计确认，验证有限元方法的正确性，试验时施加额定载荷。按照相关标准要求，必须尽可能实际地在试压工具有限元方法预测的5个远离应力集中位置和至少5个高应力位置布置应变片。

额定载荷在2 000 t液压拉力试验机上进行^[11]，对安装试压工具拉力载荷值进行分级加载。首先将载荷施加至2 250 kN，保持3 min，依次增大至2 800、3 300、3 800和4 200 kN，保持3 min，最后施加到额定载荷4 500 kN，保持5 min。额定载荷试验中各应变片检测的应力值均未超过材料的屈服强度，试验后试压工具锁块运动灵活，未出现卡阻现象。

3.2 验证载荷试验

按照相关标准要求，验证载荷试验施加载荷为额定载荷的1.5倍，试验装置应能使设备的加载方式基本与实际作业相同，而且承载面的接触区域基本相同。

验证载荷试验在2 000 t液压拉力试验机上进行^[11]，对安装试压工具拉力载荷值进行分级加载(见图 7和图 8)。首先将载荷施加至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，最后施加到验证载荷6 750 kN，保持5 min。验证载荷试验中各应变片检测的应力值均未超过材料的屈服强度，试验后锁块运动灵活，未出现卡阻现象；锁块、壳体、提升短节和法兰等主承载件的残余应变值小于0.2%，各部件无损检测结果满足图纸的验收准则要求。

3.3 压力试验

压力试验分为静水压强度试验和密封试验。静水压强度试验用于验证节流压井管线、钻井液增压管线和液压管线的试压接头压力完整性。密封试验用于验证工作压力下节流压井管线、钻井液增压管线和液压管线的试压接头的密封有效性，压力试验在验证载荷试验合格后进行。压力试验结果如图 9所示。

压力试验在国家油气钻井装备工程技术研究中心400 MPa静水压试验装置上进行，对安装试压工具各辅助管线压力进行分级加载。静水压强度试验中节流压井管线静水压试验压力105 MPa，钻井液增压管线静水压试验压力53 MPa，液压管线静水压试验压力32 MPa；密封试验中节流压井管线静水压试验压力70 MPa，钻井液增压管线静水压试验压力35 MPa，液压管线静水压试验压力21 MPa。压力试验中，在稳压期内节流压井管线、钻井液增压管线和液压管线的试压接头均未出现任何渗漏、冒汗现象，保压期间压力变化满足标准要求。

4 结论与建议

(1) 研制了一种集安装与试压作业功能为一体的集成式隔水管安装试压工具。该工具设计原理巧妙，利用液压油缸直接驱动，通过斜面挤压推动执行机构按设计的位置运行达到锁合状态，完成安装作业，利用弹簧弹力达到脱开状态，具有操作便捷、安全可靠及工作效率高的优点。

(2) 根据集成式安装试压工具的工作原理和结构特点，建立简化后的1/12有限元分析模型。按照相关标准对锁块、法兰和壳体等主承载件进行强度校核，结果表明锁块、法兰和壳体等主承载件强度均满足标准要求。

(3) 该装置进行了4 500 kN额定载荷试验、6 750 kN验证载荷试验和压力试验等试验验证。载荷试验中各应变片检测的应力值均未超过材料的屈服强度，试验后锁块运动灵活，未出现卡阻现象；压力试验中各试压接头均未出现任何渗漏或冒汗现象，压力降满足标准要求。

(4) 建议相关海洋油气田能提供必要的机会，进一步完成集成式隔水管安装试压工具工业性试验，为该工具的国产化推广奠定基础，同时完善我国钻井隔水管系统配套能力。