海洋钻井隔水管接头规范.docx

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海洋钻井隔水管接头规范

ICS75.180.10

E92

备案号：

SY

中华人民共和国石油天然气行业标准

SY/TXXXXX—XXXX

石油天然气工业——钻井和采油设备——

海洋钻井隔水管接头规范

Petroleumandnaturalgasindustries-Drillingandproductionequipment-Marinedrillingrisercouplings

ISO13625:

2002，MOD

（本稿完成日期：

2010-8-18）

XXXX-XX-XX发布

XXXX-XX-XX实施

发布机构名称发布

目  次

前  言

本标准采用重新起草法修改采用ISO13625:

2002Petroleumandnaturalgasindustries-Drillingandproductionequipment-Marinedrillingrisercouplings[1]。

本标准与ISO13625:

2002相比，除编辑性修改外（删除了ISO13625:

2002的前言和引言），在规范性引用文件一章中，做了技术性修改，以适应我国的技术条件，技术性修改内容如下：

——用GB/T18658-2002代替了ISO148-3：

1998（见5.1.4）

——用GB/T231.1-2009代替了ISO6506-1:

2005（见5.1.5.3，7.4.2.7）

——用GB/T4340.1-2009代替了ISO6507-1:

2005（见7.4.2.7）

——用GB/T230.1-2009代替了ISO6508-1:

2005（见7.4.2.7）

——用GB/T228-2002代替了ISO6892:

1998（见5.1.3）

——用GB/T22513-2008代替了ISO10423:

2003（见5.1.5.1，5.2）

请注意本标准的某些内容可能涉及专利。

本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会（SAC/TC96）归口。

本标准负责起草单位：

石油工业井控装置质量监督检验中心。

本标准参加起草单位：

石油工业井控装置质量监督检验中心、宝鸡石油机械有限公司、中海油服钻井事业部湛江作业公司、华北石油荣盛机械制造有限公司、重庆新泰机械有限责任公司。

本标准主要起草人：

石油天然气工业——钻井和采油设备——海洋钻井隔水管接头

范围

本标准适用于海洋钻井隔水管接头的设计、评价、制造和测试。

在不考虑生产和装配方法的情况下，建立接头能力评价等级，根据施加特定载荷下的最大应力水平对接头进行分类。

该标准在海洋钻井隔水管接头系统整体的设计、选择和操作方面与APIRP16Q[2]保持一致。

规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T18658-2002摆锤式冲击试验机检验用夏比V型缺口标准试样（ISO148-3-1998,MOD）

GB/T231.1-2009金属材料布氏硬度试验第1部分：

试验方法（ISO6506-1:

2005,MOD）

GB/T4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：

试验方法（ISO6507-1:

2005,MOD）

GB/T230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：

试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）（ISO6508-1:

2005,MOD）

GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法（ISO6892:

1998,EQV）

GB/T22513-2008石油天然气工业钻井和采油设备井口装置和采油树（ISO10423:

2003,MOD）

ASME）锅炉及压力容器规范,第五卷（BoilerandPressureVesselCode,SectionV）

ASME锅炉及压力容器规范,第八卷（BoilerandPressureVesselCode,SectionVIII）

ASTM2）E94射线照相检验标准指南（StandardGuideforRadiographicExamination）

ASTME165液体渗透检验的测试方法（StandardTestMethodforLiquidPenetrantExamination）

ASTME709磁粉检测标准指南（StandardGuideforMagneticParticleTesting）

ASTME747辐射摄影术用金属线图像质量指示器的设计、制造和材料组分类实施规范（StandardPracticeforDesign,ManufactureandMaterialGroupingClassificationofWireImageQualityIndicators（IQI）UsedforRadiology）

术语、定义和缩略语

1.1　术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

关于海洋钻井隔水管系统定义的全部内容都包括在APIRP16Q[2]。

辅助管线auxiliaryline

与隔水管主管道并行排列并能使液体流动的外部导管（不包括节流压井管线）。

示例:

泥浆控制系统管线、浮力控制管线和钻井液加压管线。

炮栓式接头breech-blockcoupling

一个元件的局部转动与另一个元件的互锁相连接的一种接头。

浮力装置buoyancy

隔水管附加装置以减轻隔水管水下重量。

节流压井管线chokeandkill（C&K）

与主管线平行排列，用于循环钻井液来控制井内压力的外部导管。

节流压井管线是主承压件。

爪套式接头collet-typecoupling

与隔水管接头配套的带有槽的圆柱形元件的接头。

栓销式接头dog-typecoupling

具有在连接时，在公母接头之间可机械驱动的楔块的接头。

法兰连接接头flange-typecoupling

两个法兰盘通过螺栓连接的接头。

显示indication

在液体渗透检验和磁粉检验时，发现裂痕、凹陷或其它异常的视觉信号。

线性显示Linearindication

长度等于或大于其宽度3倍的显示。

相关显示Relevantindication

主要尺寸大于1.6mm（1/16in）的任何显示。

圆形显示Roundedindication

环形的或其长度小于宽度3倍椭圆形显示。

海洋隔水管接头marinerisercoupling

快速连接和拆卸隔水管单根的一种方法。

当移动和回收隔水管的时候，连接器母接头或者公接头（取决于设计类型）提供支撑，将悬挂的隔水管管柱重量传递给隔水管处理卡盘。

此外，接头还可以支撑节流压井管线、辅助管线和浮力设备的反作用载荷。

海洋钻井隔水管marinedrillingriser

用来把井筒从海底井口装置上的井控设备延伸到海上浮船的管装导管。

预加载荷preload

公母螺纹接头间的挤压载荷，这是由接头连接过程中发生弹性变形引起的。

额定载荷ratedload

基于最大预加载荷基础上的接头设计、分析和测试使用的荷载是公称外载。

在额定工作载荷下，隔水管接头的平均截面应力都不得超过本标准规定的许可载荷。

隔水管连接母接头risercouplingbox

连接器母端。

隔水管单根riserjoint

一节两端配备公、母接头的隔水管管子，通常包括组成的节流压井管线和辅助管线。

隔水管主管risermaintube

构成隔水管单根的基本管子。

隔水管连接公接头risercouplingpin

连接器公端。

应力放大系数stressamplificationfactor/SAF/KSAF

等于零部件（包括焊缝）的局部交变应力峰值除以该零部件处管壁内的额定交变应力。

该系数用来说明由隔水管元件中产生的几何应力放大引起的应力增加。

螺纹连接接头threadedcoupling

带有配对螺纹件以形成连接的接头

1.2　缩略语

下列缩略语适用于本标准。

BOP防喷器

C&K节流压井

LP液体渗透

MP磁粉

NDE无损检测

QTC鉴定试验试样

SAF应力放大系数

设计

1.3　使用类别

设计信息

制造商应提供规定额定载荷能力值的接头尺寸和型号的设计信息。

这些数据基于设计载荷（见4.5），并通过试验（见8.2）进行验证。

尺寸

接头是按隔水管主管的尺寸进行分类。

与接头对应隔水管的外径和壁厚（或壁厚范围）应形成文件。

额定载荷

本条按接头的额定载荷进行分类。

额定载荷根据施加载荷所引起的应力大小进行确定，接头计算或测量的应力均不应超过4.6中规定的许用应力极限。

额定载荷如下：

a）2220kN（0.50×106lbf）；

b）4450kN（1.00×106lbf）；

c）5560kN（1.25×106lbf）；

d）6670kN（1.50×106lbf）；

e）8900kN（2.00×106lbf）；

f）11120kN（2.50×106lbf）；

g）13350kN（3.00×106lbf）；

h）15570kN（3.50×106lbf）。

应力放大系数

在管子与接头焊接处和公母接头最高应力处，计算的接头SAF值应形成文件。

SAF值是管子尺寸和壁厚的函数，按公式

（1）计算：

K

=

…………………………

（1）

式中：

σLPA——局部交变应力峰值；

σNAS——管的额定交变应力。

额定压力

在隔水管单根之间，接头应具备压力密封功能。

制造商应将接头设计的额定压力形成文件。

1.4　隔水管载荷

总则

张力是决定钻井隔水管抵抗环境载荷能力的主要因素。

环境载荷包括洋流和波浪的流体动力及钻井浮船对风和波浪的动态响应引起的运动。

运用计算机模拟与分析确定隔水管对环境载荷的响应和作用在隔水管内产生的机械载荷，APIRP16Q[2]中给出了确定隔水管系统设计载荷和响应的一般程序。

设计时，应考虑附加载荷的作用。

节流压井管线和辅助管线引起的载荷

通常，接头对节流压井管线和辅助管线提供支撑。

该支撑限制了管线与隔水管发生弯曲。

载荷可能由管线的压力、外加挠曲及管线的重量引起。

设计时，制造商应将节流压井管线和辅助管线引起的载荷形成文件。

浮力装置引起的载荷

接头可对浮力装置提供支撑，导致在接头上产生载荷。

设计时，制造商应将浮力轴向载荷形成文件。

搬运引起的载荷

使用装卸工具或卡盘悬挂或两种方式同时进行都会使隔水管产生临时载荷。

设计时，应考虑隔水管悬挂载荷及载荷施加方式，并形成文件。

1.5　应力的确定

接头的静载荷设计（见4.6）及应力和放大系数（见4.7）的确定，应详细了解接头内的应力分布。

可通过有限元分析得到相关信息，应通过样品应变计试验进行确认，并形成文件。

分析应提供精确或可靠的峰值应力，并应包括所有的由磨损、摩擦及生产误差引起的预加载荷损失带来的不利影响。

应力分析参见附录A，并形成文件。

应力分析应包括以下内容：

i）分析的硬件和软件；

j）网格大小；

k）外加载荷；

l）预加载荷损失；

m）材料因素。

1.6　应力分布验证

设计结束后，用一个或多个隔水管接头的样品（或比例样品）进行应力试验。

对预载荷、分离性能及摩擦系数所做的假设和应力分析进行验证。

当预载应力涉及紧固载荷或位移时，用应变计进行测量。

灵敏度应通过改变摩擦系数（至少包括两个值）进行确定。

应施加接头设计载荷，验证在有关拆卸分析中所做的假设。

三相应变计应尽可能布置在接近按4.3进行的有限元分析预测的最高应力区至少五个点，及离开应力集中的五个点。

应记录应变计所有读数和相关的载荷条件，并保存作为接头设计文件的一部分。

设计鉴定试验可与该应力分布验证试验同时进行（见8.2）。

通常，难于获得与分析结果完全一致的应变数据。

高应力区域可能无法准确测量，有时应力数据很小以至于应力计只能给出一个平均值而不是峰值。

该试验用于验证关键点周围区域的应变模型。

1.7　接头设计载荷

接头设计载荷表示接头最大的承载能力。

制造商应按本标准给出的方法和准则，确定接头的设计载荷。

接头计算或测量的应力，均不超过该接头材料承受设计载荷的许用应力。

在4.6中规定了材料的许用应力。

接头的额定载荷（4.1.3）应不大于设计载荷。

便于计算，采取的设计载荷条件为轴对称张力。

隔水管弯矩转换为等效张力（TEQ）。

接头的设计载荷按量值Tdesign的轴对称张力确定，或考虑张力（T）和弯矩（M）的任何组合，所以：

T+

A=T+M

=T+

=

………………

（2）

式中：

c——隔水管的平均半径；

I——隔水管的惯性矩；

A——隔水管横截面面积；

do——隔水管的外径；

t——隔水管的壁厚。

按公式

（2）计算，纯弯曲引起的在管壁中间处计算的隔水管应力与纯张力引起的应力的处理方式一致。

接头的设计分类，仅考虑轴对称拉伸载荷（Tdesign）。

虽然接头设计荷载提供一种方法来划分接头型号而不考虑制造商或连接方法，但其并未包括影响接头设计的所有荷载。

在接头设计评估时也应包括附加载荷（见4.2）。

1.8　静载荷设计

总则

接头静载荷的设计应能承受设计载荷和预加载荷，并保持最大的截面应力在许用极限范围内。

隔水管接头应力

除螺栓外，接头其它部件的应力都应小于附录C给出的数值。

对螺栓法兰式接头中的承载螺栓，制造商应将螺栓的设计许用应力级别形成文件。

该螺栓应力的验收准则应以规范性文件为准。

1.9　应力放大系数

接头失效的主要原因是在应力集中点形成的疲劳裂纹及其扩展。

因此，设计时应将引起疲劳裂纹产生和扩展的条件降到最低。

应用时，接头用户不用进行大量的疲劳试验，可采用应力放大系数（SAF）对接头的疲劳损伤进行预测。

应力放大系数（SAF）是交变应力倍幅范围的函数。

需要特别注意的是应力放大系数在很大程度上取决于有限元分析的精确性及分析中假设的正确性。

如载荷分布、现场作业中预加载荷和在关键应力点的有限元网格尺寸，需对设计情况进行具体评估。

按下列程序进行接头设计：

n）从4.1.3中选择额定载荷；

o）按照4.3的规定进行有限元分析，确定下列载荷的最大等效组合应力：

1）L1=额定预加载荷+0.2×额定载荷，

2）L2=额定预加载荷+0.4×额定载荷，

3）L3=额定预加载荷+0.6×额定载荷，

4）L4=额定预加载荷+0.8×额定载荷，

5）L5=最小预加载荷+0.2×额定载荷，

6）L6=最小预加载荷+0.4×额定载荷，

7）L7=最小预加载荷+0.6×额定载荷，

8）L8=最小预加载荷+0.8×额定载荷；

p）按4.4对试验样品进行有限元分析的验证；

q）识别结构中和管子与接头焊缝中的高应力点，并记录载荷条件L1～L8的局部峰值应力值L1～L8（使用冯·米塞斯理论，见附录C）；

r）计算公母接头的应力放大系数。

若应力放大系数随载荷或预加载荷而变化，记录该变化并形成文件。

1.10　设计文件

每一个规格、型号和使用类别的产品，制造商应保存下列文件至少十年：

s）按4.2中定义的设计载荷（拉伸、弯曲、辅助管线载荷及其它）；

t）按4.3的规定进行有限元分析；

u）按4.4和8.2的规定进行的试验结果；

v）按4.7的规定应力放大系数和峰值应力计算的结果。

材料的选择和焊接

1.11　材料的选择

总则

接头零部件材料的选择应考虑载荷类型、温度变化幅度、腐蚀条件、强度要求、耐用性、韧性及发生破裂的影响。

在隔水管系统的整个使用期限内，隔水管系统制造商应保存设计参数的文件。

资料应符合化学成分、物理和力学性能、制造方法和过程、热处理、焊接性能、质量控制的书面规范。

书面规范可以是出版物，也可是制造商制定的文件。

主承载件材料（包括焊缝金属）应是低合金钢，该低合金钢应符合5.1.5规定的试样所代表的性能。

试样应取自分铸或附铸试块，取自同一炉号，并采用相近的成形和相同的热处理工艺条件。

化学成分

材料的化学成分应符合制造商的书面规定，应通过工厂分析或试样验证证明其符合性。

机械性能

材料的最低和最高机械性能应符合制造商的书面规定。

此外，主承载件的材料（包括焊件）应满足表1的最低机械性能。

热处理后，按照GB/T228-2002进行机械性能试验，试验中使用的样品应符合5.1.5的规定。

表1　最低机械性能

项目

指标

最小伸长率，%

18

最小断面收缩率，%

35

冲击试验

承载零部件材料（包括焊件）应该符合下列最低夏比V型缺口冲击值：

w）三个试样的平均值：

41J@-20℃（30ft-lbf@-4℉）；

x）单个试样最小值：

28J@--20℃（21ft-lbf@-4℉）。

热处理后，应按GB/T18658-2002进行夏比冲击试验。

采用标准试样，进行缺口冲击试验，试验的纵向应为基体金属的晶粒方向。

试样

总则

试样应符合GB/T22513-2008中5.7和5.7.4.1的规定，取自鉴定试验试样（QTC）。

拉伸和冲击试验

拉伸和冲击试样应取自最终热处理之后相同的QTC。

拉伸和冲击试样应取自QTC，对于实心QTC，其纵向中心轴线完全位于中心1⁄4t区域，对于空心QTC，其纵向的中心轴位于最厚截面中间厚度的6mm（1⁄4in）内（见图1）。

用生产件作为QTC时，拉伸和冲击试样应取自该件最厚截面1⁄4t位置。

硬度试验

硬度试验按以下步骤进行:

y）在最终热处理后，在QTC上至少应进行两次布氏硬度试验；

zz）硬度试验应按GB/T231.1-2009规定的进行；

aa）QTC的硬度应符合制造商的书面规范。

1.12　焊接

焊接程序和过程应按GB/T22513-2008中6.3和6.3.4的规定进行。

a）长度为l的简单的几何当量圆截面/模型

b）铸锭结构（ER=2.3R）

当l小于t时，考虑为厚度为l的板。

当l小于d时，考虑为厚度为t的板。

1注：

a）中虚线内的区域是测试样品移动的1/4t包络线。

关键词：

1测试样品移动的1/4t包络线

a圆

b正六边形

c正方形

d矩形或板

e简单空心模型

图1　当量圆模型

尺寸和重量

1.13　接头尺寸

接头按隔水管尺寸进行分类。

隔水管和配套接头的尺寸应与特定的防喷器（BOP）尺寸相匹配。

表2给出了匹配的防喷器内径和立管外径的组合。

连接长度、对接焊对对接焊应形成文件。

1.14　接头重量

接头重量应形成文件。

接头重量包括空气中所有部分的重量以及水下的部分的重量。

隔水管接头的重量应包括接头构件、锁定机构以及支撑节流压井管线和辅助管线终端装置的支架或官家在空气中重量的总和。

表2　防喷器内径和隔水管外径配套尺寸组合

防喷器内径

隔水管外径

346mm（135/8in）

406mm（16in）

425mm（163/4in）

473mm（185/8in）

476mm（183/4in）

508mm（20in）或533mm（21in）

527mm（203/4in）

558mm（22in）或609mm（24in）

539mm（211/4in）

609mm（24in）

2注：

给定尺寸的接头可用于一定范围外径、壁厚和材料屈服强度的隔水管。

质量控制

1.15　总则

每一规格、型号和使用类别的产品，制造商应保存本标准所要求的所有记录至少十年。

1.16　原材料性能

可追溯性

承载零件应溯源到具体的炉号和热处理批次。

按照制造商文件要求，应在材料和零件上保留标识，并保存包括维修或更换标识及标识控制的记录。

化学分析

化学分析应按相应的国家标准进行。

化学成分应符合制造商的书面规范。

1.17　制造符合性

总则

制造商应按编号和零件号保存材料性能、炉号、隔水管尺寸、最小通径、使用类别和制造日期方面的图样和文件，以及4.8规定的设计文件。

此外，还应保存下列步骤的文件。

目视检验

目视检验的要求如下：

bb）每个零件应进行目视检验；

cc）应按制造商的书面规范进行铸件和锻件的目视检验；

dd）验收准则应符合制造商的书面规范。

表面无损检测（NDE）

总则

完工零件的表面应按7.3.3.2至7.3.3.5的规定进行。

铁磁性材料NDE

经最终热处理和机械加工后，应进行磁粉（MP）或液体渗透（LP）检验完工零件的密封面和钻井液润湿面。

非铁磁材料NDE

经最终热处理和最终机械加工后，应进行液体渗透检验每一完工零件的钻井液润湿面。

方法

MP检验应按ASTME709的规定进行。

磁头戳伤和触头戳伤不允许在钻井液润湿面或密封面上出现和重要的机加工件上出现。

机加工件或零件上均不允许使用干磁粉检验，当磁粉没有完全清除时，将导致腐蚀或在某些区域产生副作用（如螺纹等），应选用湿磁粉进行检验。

LP检验应按ASTME165中规定的进行。

MP和LP显示

与表面裂纹（如磁导率变化和非金属线形）无关的固有显示应认为是不相关显示。

如磁粉显示被认为不相关的，则其应采用液体渗透表面NDE方法进行检验,或去除及重新检验。

MP和LP的验收准则

表面（非压力接触密封表面）的验收准则如下：

ee）无大于或等于4.8mm（3/16in）的相关显示；

ff）在连续的39cm2（6in2）面积上相关显示不得超过10个。

gg）在任一条直线上，不得有四个或四个以上间距小于1.6mm（1/16in）（边到边）的相关显示。

压力接触（金属对金属）密封面上不得有任何相关显示。

焊缝NDE

总则

必要时，应监测基本焊接参数和设备，按7.3.4检验整个焊缝,及周围至少13mm（1/2in）的基体金属。

焊前目视检查

焊前，应对焊接表面进行100%的目视检查。

检查应包括在焊缝两侧至少13mm（1/2in）的基体金属。

焊前准备验收应符合制造商的书面规范。

焊后目视检查

焊缝应按制造商的书面规范进行检查。

应焊透承压焊缝。

咬边不应将该区域（考虑两边）的厚度减少到最小厚度以下。

在表面或近表面，不允许有气孔及焊渣。

焊缝NDE——表面（除目视）

承载焊缝、承压焊缝、修补及焊缝金属堆焊焊缝和修理的组焊焊缝，在焊接、焊后热处理和机械加工后，应进行100%的磁粉或液体渗透法检验。

可接受的缺陷尺寸应符合相关标准的规定，或可采用下列尺寸准则。

磁粉和液体渗透检验的方法、定义和验收准则应与7.3.3相同，并符合以下要求：

hh）无线性相关显示；

ii）无大于焊缝厚度三分之二的圆形显示；

jj）深度等于或小于19mm（3/4in）的焊缝，应无大于3mm（1/8in）的圆形显示；深度大于19mm（3/4in）的焊缝，应无大于5mm（3/16in）的圆形显示。

修补焊缝

应采用与母材（7.3.3.6）相同的方法和验收标准对修补