油井管静水压试验机故障分析

牛文录，黄秋生，张利国，刘金荣，张永军，胡三恩，刘亚峰，单来民

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070；2.中石化西南油气分公司，成都 610081；3.吐哈油田公司机械厂，新疆哈密 839009；4.中石油塔里木油田公司，新疆库尔勒 841000）

油井管静水压试验机是检验油井管产品质量的重要设备之一。SY／T 6194—2003《石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》［1］和API Spec 5CT《油管和套管》［2］规范要求油井管入井前应进行静水压试验，不得有渗漏现象，保压时间应在5～30s。规范中还规定了不同钢级和品种的油井管，必须能承受相应等级的压力。水压试验机正是为检验油井管的耐压能力以及接箍与管体连接螺纹的密封性而设计制造的，也是影响管加工线生产率的关键设备。如果静水压试验机发生故障，就会影响正常生产。本文就常见的故障进行了分析，供同行及使用者参考。

1 结构组成

1.1 机械系统

由主机和辅机2部分组成。主机由灌注密封移动系统、接箍挡卡装置、排气密封移动系统、夹紧装置、接送料装置及机架模块组成；辅机主要包括：进出料台架、对齐测长、旋转冲洗、送料装置和箜水装置等。

1.2 液压气动系统

主要包括：液压泵站、各种液压阀件、液压气动执行元件、管路及附件、冷却系统、液压控制系统。

1.3 水路系统

主要包括：增压缸、高压水阀、储水罐、灌注水泵、闸阀、气控阀等气动元件、管路及附件。

1.4 电器、信号检测元件

主要包括：MCC柜、PLC 柜、操作台、压力传感器、压力继电器、感应开关、变频器等。

1.5 自动化控制系统

由下位机与上位机组成：下位机采用可编程序控制器（PLC）；上位机采用工业控制计算机。该系统配置必要的附件，例如通信设备接口、打印机等，实现油井管静水压试验机全自动智能化运行。PLC在现场进行控制；上位机进行参数设置、数据显示、数据管理和打印。整个系统以可编程序控制器为核心，实现自动化控制［3］。

2 工艺流程

油井管静水压试验机的试压工艺过程为：进料架进料→油井管对齐→油井管测长→油井管旋转冲洗→主机起升装置将油井管放到试压中心→夹紧装置将油井管夹紧→定尺寸移动机构将灌注密封装置推进到规定的位置→主液压缸将排气密封装置推进到规定的位置→予密封加压→灌水、排气→加压→保压→卸压→密封装置退回→夹紧装置松开→出料→箜水→吹气扫水→出料架出料［4－5］。

3 故障分析及排除

因为主机和辅机的动作是叠加在一起同时工作的，即对齐进料、主机进料与箜水是同时开始工作的，所以如果将1根管子从进入水压机主机→开始试压→从水压机主机出料为止，称为1个循环周期（也就是每个管子在主机试压的整个工艺过程），那么每个循环周期将包含20多个连续或叠加的动作。在这个过程中，设备的各受力部件所承受的载荷将从零逐渐增加，直到达到设定压力，保持6～30s之后卸压为零，因而所受应力也由零迅速增加到某一最大值又迅速减小为零。由此可见：在每个循环周期，设备所承受的载荷为变载荷，设备在连续运转的过程中，将承受周期性变化的载荷，在交变载荷作用下，虽然应力低于屈服极限，但长期反复之后，构件也会突然损坏［6］。同时，油井管静水压试验机在试压过程中，油井管与各接触部件相互撞击，产生了很大的机械振动与噪声，更为严重的是液压系统动作较多，换向频繁。换向时，阀口突然关闭、动作突然停止，由于流动液体流量与速度的变化形成了压力脉动以及运动部件惯性的作用，使系统内瞬时形成很高的峰值压力，引起系统压力波动、冲击振动、噪声都很大。近年来，系统控制采用插装阀，液压元件长期处在大的交变载荷作用之下，各元件的疲劳损坏无法避免，由此而引起元件寿命短、管接头松动、油管经常破损、振动剧烈、噪声大以及泵等破损而引起的系统油污染、水污染等一系列问题。

如上所述，由于水压机本身的工作特点以及工艺过程非常复杂，因而导致其在使用过程中暴露出一系列的问题。在这些故障中，绝大多数都是外围检测元器件及机械、液压执行元件（如各种阀件）、各联接件（如油管、电缆等）的故障。有的故障很明显，一看便知，只是解决起来费时。有的故障可通过监控PLC程序，判断由于哪个信号不到位引起的故障，当然要判断此类故障需要有PLC程序方面的知识，现场排除设备故障也容易。但是对于液压和水路系统发生综合性故障时，例如阀件内泄等，故障的诊断和排除带有非常大的技术难度，要根据故障的表象与试压的工艺过程综合考虑，才能确定故障的真正原因，需要为此耗费大量的人力、财力和生产时间。

3.1 予密封压力问题

3.1.1 予密封压力加不上

1）控制予密封加压的电磁阀阀芯卡死、线圈烧毁或中间继电器坏（增压油缸电磁阀吸合，但增压油缸不动作）。

2）控制予密封加压的液控单向阀阀杆卡死或弹簧座松动，液控单向阀无法打开。

3）控制管体加压的液控单向阀阀杆卡死而不能复位，致使高压水流入管体。

4）密封卸压阀阀杆卡死而不能复位（关闭）、阀密封面点蚀或密封面间有杂物，不能密封而使高压水（大流量）泄漏。

5）梭阀泄漏（大流量），高压水流入管体。

6）控制增压油缸的电磁阀（或电液阀）阀芯卡死、线圈烧毁或中间继电器坏。

7）控制增压油缸灌注水阀的电磁阀阀芯卡死、线圈烧毁或中间继电器坏而使增压油缸水腔未注满低压水等。

3.1.2 予密封压力保持不住

1）梭阀泄漏（小流量），高压水流入管体。

2）密封保压单向阀密封面点蚀或密封面间有杂物不能密封而使高压水泄漏。

3）密封卸压阀阀杆卡死而不能复位（关闭）、阀密封面点蚀或密封面间有杂物不能密封而使高压水泄漏。

4）水压密封圈损坏外圈翻边或密封装置内部密封件损坏（这种情况下密封压力加到设定值后，立刻降为零压）。

3.2 管体压力问题

3.2.1 管体压力加不上

1）水罐（或水箱）中无水。水罐（或水箱）中液位控制器失灵，致使水罐（或水箱）内水用完后没有及时补充，灌注时管体内没有充满低压水。应检查或更换液位控制器，在水罐（或水箱）中充满低压水。

2）灌注时间太短。各品种管体的容积大小不等，因此在试验不同品种油井管时，应按管径大小调整灌注时间，使管内低压水灌注充分。

3）排气阀有大流量泄漏。原因有2个：①排气阀在试压过程中，起2个作用，一个是在灌注期间将管体内的空气彻底排出管体之外，另外一个是在保压结束后，打开阀将管体内的超高压水排出管体卸压。因在加压、保压期间，阀杆端面一直受高压水的压力，即阀杆轴向一直受水压力的作用，在开阀瞬时，另一端面受液压力的作用，致使阀杆两端受力而成压杆，在连续不断的试压过程中，阀杆受压发生了微弯曲变形，使阀座和阀芯配合面之间有缝隙而不能紧密配合产生泄漏，应修正或更换阀杆；②由于试压水发生污染，水中混有铁削和其他杂物，在关阀的瞬间，未流走的杂物被夹在了阀座和阀芯配合密封面之间产生泄漏，这种情况下应复位后，手动将油井管推入两端密封装置之内，打开灌注阀，再将排气阀开关几次可冲掉杂物，如果还不行，就拆卸排气阀彻底清理杂物。

4）密封压力未保住，与3.1.2的情况相同。

5）灌注阀有泄漏。阀杆弯曲变形或阀密封面上有杂物，与3.1.2的第3条相同。

6）梭阀泄漏返到密封管路，压力超过予密封管路保护压力设定值而执行复位动作，应清理、修磨或更换阀芯及更换密封件。

7）控制管体加压的电磁阀不工作（增压缸顶不动）。

3.2.2 管体压力保不住

1）灌注阀、排气阀、管体保压的单向阀有小流量泄漏。由于连续不断的开关阀，阀座和阀芯配合密封面相互撞击频繁以及试压水发生污染，使得配合密封面产生点蚀、锈蚀而形成微小沟槽，使超高压水外泄，应对阀座和阀芯密封面进行配合修磨或更换阀座、阀芯。

2）主液压缸后退。主液压缸作为油井管静水压试验机的一个关键部件，它有2个作用：①补偿油井管长度差引起的空间，以便使两头密封装置将油井管顶紧；②承受高压水所产生的轴向推力。主液压缸系统由1个主缸、2个副缸、高置灌注油箱、充液阀、补压油泵、回抽油泵及其控制系统构成。主液压缸向前运动时副缸推动主缸向前运动，同时充液阀打开，高置灌注油箱里的液压油将被灌注到主缸里面。主液压缸向后运动时，副缸拉动主缸向后运动，充液阀打开，主缸里的液压油将回到高置灌注油箱里。经过分析主液压缸后退主要有以下4个原因：①充液阀本身关闭不严，水压机长期使用后，因充液阀频繁开关或液压系统不洁净造成阀锥面密封性能下降，最终导致在水压上升时因充液阀泄漏造成主液缸后退；②比例阀失效，由于液压系统不洁净造成比例阀堵塞或比例放大器烧坏而不能跟随水压调节油压，造成水压大于主液压缸油压，从而引起主液缸后退；③主液压缸的密封性能降低，主液压缸由于长时间使用其密封失效造成泄漏现象，造成水压上升时主液缸后退；④比例阀的响应速度跟不上水压上升速度时，会造成主液缸在水压上升时缓慢后退。要解决此问题，对比例阀响应时间选择上应尽量使其适应水压快速上升的要求。另外，可以在控制策略上选择更先进的控制方法。

3.3 水压密封圈频繁损坏

1）如3.2.2的第2条所述，加压时主液压缸后退，会造成排气端密封装置水压密封圈异常损坏，应解决主液压缸后退。

2）移动式接箍挡卡装置长时间使用，挡头变形，固定式接箍挡卡装置挡头位置不变，但由于接箍长度有1～3mm的误差，二者均与油井管接箍端面接触不良［7］，在升压和保压过程中，油井管受水压强烈压迫产生轴向弹性压缩变形，接箍与水压密封圈有相对位移，在摩擦力的作用下，会造成接箍端密封装置水压密封圈异常损坏，应修整或更换接箍挡头。

3.4 油井管在试压过程失稳［7］

油井管在升压和保压过程某一时间内，由于所受的轴向压力大于其临界压力，使其不能保持原有直线平衡状态而突然弯曲失稳。应配置接箍挡卡装置，其作用是在油井管进行试压时，用它顶住接箍外端面，将接箍所受轴向压力传给挡卡装置，再由挡卡装置传给机架承受载荷，以保证管体不失稳。

4 结语

油井管静水压试验机是集机械、液压、电气及自动化控制等多方面为一体的复杂系统，有非常多的故障发生。设计者应尽可能充分考虑影响设备运转可靠性、连续性、稳定性的诸多因素，例如对于受力部件强度设计以疲劳极限为设计依据，液压系统考虑减小振动、噪声等。使用维护者应潜心掌握设备工作原理及工艺过程，认真分析生产过程中出现的各种故障，总结引起故障的原因，不断积累故障排除的经验，及时精心做好设备的维护保养，是完全可以使用好这类设备的。

［1］SY／T 6194－2003，石油天然气工业油气井套管或油管用钢管［S］.

［2］API Spec 5CT，油管和套管［S］.3版，1990.

［3］张利国，董梅，李秀全.基于PLC的钢管静水压试验机控制系统［J］.甘肃科技，2009，25（18）：44－46.

［4］李如东，孙文平，全副.石油套管水压试验装置［J］.石油机械，1987，15（3）：45－49.

［5］李伟，张利国，牛文录，等.全自动石油油管（套管）静水压试验装置的改进［J］.石油矿场机械，2001，30（1）：16－18.

［6］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［7］牛文录，刘金荣，郭庆平，等.油井管在静水压试验过程中的失稳控制［J］.石油矿场机械，2012，41（5）：89－90.