水 下油氣裝備對可靠性 要求非常高，下水前 必須經過嚴格的地面 試驗。由于我國水下 油氣裝備產業起步較晚，使用的裝 備基本依賴進口，同時也沒有成熟 的試驗技術可以借鑒。以水下井口 系統中的核心部件套管懸掛器為例， 結合 API 規范，開展套管懸掛器地 面試驗技術研究，對套管懸掛器地 面試驗項點進行了梳理，詳細闡述 各項試驗的試驗流程及驗收準則， 構建系統規范的套管懸掛器地面試 驗技術體系，為其它水下油氣裝備 的地面試驗提供指導和借鑒。
 
套管懸掛器應用試驗
 
套管懸掛器是水下井口頭系統 的關鍵部件，安裝在每個套管柱的 頂端， 通過螺紋與其相連， 支撐管柱。 一般設計有工具鎖緊槽及流道孔， 前者實現與下放工具連接，后者主 要用于平衡工具上下兩端的壓力， 降 低 下 放 阻 力。 待 測 套 管 懸 掛 器 為兩種規格，分別為 9- 5 / 8 "、13- 3 / 8 "， 額 定 工 作 壓 力 10,000psi， 材 料 等 級 EE 級， 最 大 懸 掛 載 荷 450t。
 
根據 API 17D 要求，套管懸掛 器應視為控壓件，需要進行性能鑒 定試驗及工廠驗收試驗。套管懸掛 器的性能鑒定試驗應符合 API 17D 5.1.7 的要求，應進行內壓性能鑒定 試驗， 以驗證懸掛器的結構完整性。 該試驗不應受套管鋼級和螺紋的限 制。采用性能驗證程序來鑒定套管 懸掛器時，應能生產在設計、尺寸 / 公差、制造流程、偏差和材料方面 具有代表性的樣機。如果產品設計 在配合、型式、功能或材料方面有 任何更改，應將對產品性能產生影 響的相應更改形成文件。有實質性 更改的設計應視為一種新設計，要 求重新試驗。套管懸掛器性能鑒定 試驗主要包括靜水壓試驗、壓力循 環試驗、載荷試驗，而套管懸掛器 的工廠驗收試驗應對其進行尺寸檢 查或通徑試驗。 靜水壓試驗
 
靜 水 壓 試 驗 的 主 要 目 的 是 檢 測套管懸掛器承壓狀態下的結構完 整 性。 試 驗 壓 力 為 15,000psi， 試 驗 介 質 為 自 來 水。 首 先 按 照 圖 紙 組 裝 試 驗 裝 置， 連 接 壓 力 管 線，開啟靜水壓試驗系統；打壓至 15,000psi，斷開壓力源，待壓力 穩定后開始計時， 保壓 3 分鐘， 泄壓； 再次打壓至 15,000psi，斷開壓力 源，待壓力穩定后開始計時，保壓 15 分鐘，泄壓；試驗結束。試驗過程中測試裝置無可見泄露，且 3 分 鐘壓降小于 0.17MPa，15 分鐘壓降 小于 0.86MPa，則可確定套管懸掛 器的靜水壓試驗合格。由于套管懸 掛器上下兩端內徑存在差值，進行 壓力試驗時，會產生較大的軸向載 荷。
 
在進行試驗裝置設計時，設計 堵頭，將軸向力傳遞到套管懸掛器 本體上。套管懸掛器靜水壓試驗裝 置主要由套筒和堵頭組成，套筒與 堵頭通過螺紋連接，如圖 2 所示。 經計算，試驗壓力為 15,000psi 時，產生的軸向載荷為 5,071KN。 M150 螺 紋 承 受 剪 切 載 荷， 有 效 螺紋長度 145mm，經計算，剪切 強度為 74.26MPa；套筒材料選用 30CrMo， 抗 拉 強 度 930MPa， 許 用 剪 應 力 558MPa， 得 到 安 全 系 數 n 為 7.51，螺紋強度滿足要求。 采用 ABAQUS 軟件對堵頭強度進 行校核。建立三維實體模型，采用 C3D8R 線性六面體網格。將堵頭螺 紋區域施加載荷 5,071KN，堵頭下 端與套筒底端接觸區域添加固定約 束。計算結果顯示，最大 Mises 應 力為 369.1MPa，堵頭屈服應力為 735MPa，安全系數為 1.99，結構 強度滿足要求。 壓力循環試驗
 
壓力循環試驗的目的是檢測套 管懸掛器壓力循環狀態下的結構完 整 性。 試 驗 壓 力 為 15,000psi， 試 驗 介 質 為 自 來 水。 首 先 根 據 圖 紙 組 裝 試 驗 裝 置， 連 接 壓 力 管 線， 開 啟 靜 水 壓 試 驗 系 統。 打 壓 至 15,000psi，斷開壓力源，壓力 穩定后開始計時，保壓 3 分鐘，泄 壓；打壓至 15,000psi，斷開壓力 源；壓力穩定后開始計時，保壓 15 分鐘，泄壓；打壓至 10,000psi， 泄 壓， 循 環 三 次； 再 次 打 壓 至 15,000psi，斷開壓力源，壓力穩 定后開始計時，保壓 3 分鐘，泄壓； 打壓至 15,000psi，斷開壓力源， 壓力穩定后開始計時，保壓 15 分 鐘，泄壓；試驗結束。試驗過程中 測試裝置無可見泄露，且 3 分鐘壓 降小于 0.17MPa，15 分鐘壓降小于 0.86MPa，則可確定套管懸掛器的 壓力循環試驗合格。套管懸掛器的 壓力循環試驗裝置與靜水壓試驗裝 置一致。根據試驗程序，對 9- 5 / 8 ″ 套管懸掛器進行了壓力循環試驗， 試驗結果滿足規范要求。
 
載荷試驗
 
套管懸掛器載荷試驗的目的是 校核套管懸掛器懸掛承載能力，試 驗載荷為 450t。按圖紙將套管懸掛 器與試驗裝置裝配后，平穩放置在 壓力機上；施加 450t；檢查套管懸 掛器外觀，檢測并記錄關鍵尺寸。 試驗后套管懸掛器結構完整，待測 尺寸變化在設計范圍內，則載荷試 驗合格。套管懸掛器外部設計支撐 圖 2 9- 5 / 8 ″ 套管懸掛器壓力試驗裝置 1、套筒；2-3、O 型圈（擋圈）；4、套管掛；5-6、O 型圈（擋圈）；7、堵頭 套，下端設計連接頭，通過中心壓 桿施加壓載，達到利用壓機檢測套 管懸掛器懸掛能力的目的。
 
試驗后， 13- 3 / 8 " 套管懸掛器未發生塑性變 形，主要尺寸變化在設計允許范圍 內，結構強度滿足。 最后，進行工廠驗收試驗。試 驗的目的是檢測套管懸掛器關鍵尺 寸及部件間裝配是否符合設計要求。 依據 API-6A、 API-17D 標準要求， 開展套管懸掛器地面試驗技術研究， 梳理了套管懸掛器地面試驗項點， 并詳細闡述靜水壓試驗、壓力循環 試驗、載荷試驗及出廠驗收試驗的 試驗流程、驗收準則；充分考慮試 驗的可操作性與結構強度要求，優 化設計，完成試驗裝置的研制，并 最終通過試驗，完成了對套管懸掛 器的地面測試，初步建立了系統的 套管懸掛器地面試驗技術體系，為 其它水下裝備地面試驗提供借鑒與 參考。
 
（注：此文為 863 計劃“深水油氣勘 探開發技術與裝備”項目“海洋石油 水下井口頭系統工程化研制” 課題 （課 題編號：2013AA09A221）。）