黃　強(qiáng)　馮慶華　楊　田

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,　四川　成都　610041;2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦,　四川　遂寧　629000

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井口采氣樹(shù)裝置中高壓儀表安裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃強(qiáng)1馮慶華2楊田1

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都610041;2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦,四川遂寧629000

為了解決井口采氣樹(shù)裝置中高壓儀表安裝設(shè)計(jì)存在高壓接頭受到較大扭轉(zhuǎn)力矩作用使圓錐密封面受力不均和螺紋短管彎曲變形的問(wèn)題,必須弄清井口采氣樹(shù)裝置提供的各種螺紋接口與API Spec 6 A《井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范》中對(duì)儀表連接接口相關(guān)條款的對(duì)應(yīng)關(guān)系。API Spec 6 A要求的高壓儀表連接采用60°圓錐密封方式,可達(dá)到高密封低扭力的效果,使腐蝕介質(zhì)與承壓螺紋無(wú)直接接觸,有效提高儀表閥在高壓、高腐蝕環(huán)境中的可靠應(yīng)用。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)需求、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、產(chǎn)品制造特點(diǎn)和投資成本,制定了最簡(jiǎn)單可行的井口采氣樹(shù)裝置中高壓儀表安裝和選型方案,為其他工程設(shè)計(jì)提供參考,并為井口采氣樹(shù)裝置的儀表安裝標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

采氣樹(shù);API Spec 6 A;UNF;F 250 C;F 562 C

0　前言

近年來(lái),隨著石油天然氣開(kāi)發(fā)中越來(lái)越多的高壓、高腐蝕天然氣氣井的建設(shè),天然氣地面工程建設(shè)面臨井口采氣樹(shù)裝置中高壓儀表安裝的諸多問(wèn)題：井口采氣樹(shù)裝置提供的高壓儀表螺紋接口認(rèn)識(shí)不足，高壓儀表閥及接頭選型方案存在缺陷,部分未遵循API Spec 6 A《井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)API Spec 6 A)中關(guān)于高壓儀表連接的技術(shù)條款,高壓壓力表和高壓壓力變送器選型困難等等。本文介紹了井口采氣樹(shù)裝置中常見(jiàn)的四種螺紋接口,并結(jié)合解讀API Spec 6 A中儀表連接的相關(guān)技術(shù)條款,重新明確了井口采氣樹(shù)裝置中各種儀表連接接口的不同應(yīng)用要求。通過(guò)對(duì)已建按傳統(tǒng)組合方式設(shè)計(jì)的高壓儀表安裝應(yīng)用情況的分析,提出優(yōu)化的高壓儀表安裝設(shè)計(jì)方案,以解決井口采氣樹(shù)裝置中高壓儀表安裝設(shè)計(jì)方案缺陷及風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

1　井口采氣樹(shù)儀表接口螺紋

地面工程建設(shè)中對(duì)井口采氣樹(shù)裝置的油壓和套壓的檢測(cè),需同時(shí)設(shè)置就地壓力表和壓力變送器,井口采氣樹(shù)上為現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝預(yù)留的接口通常為美制一般用途密封管螺紋(NPT)、美國(guó)石油學(xué)會(huì)管線(xiàn)管螺紋(LP)、美制統(tǒng)一螺紋(UN)和米制普通螺紋(M)。

美制一般用途密封管螺紋(NPT)于1840年提出,是應(yīng)用最廣泛的密封管螺紋之一[1]。由于密封管螺紋使用場(chǎng)合(尺寸、材料、配合方式、填料、壓力)、加工精度、裝配和檢測(cè)技術(shù)等因素的不同,目前的NPT螺紋標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法保證所有檢測(cè)合格的螺紋件都能實(shí)現(xiàn)密封[2]。

美國(guó)石油學(xué)會(huì)管線(xiàn)管螺紋(LP)與NPT螺紋牙型相似,仍為60°錐管螺紋,只是LP螺紋的牙頂更平,增加了螺紋止口[3]。LP螺紋與NPT螺紋基本上可以互換,但經(jīng)過(guò)幾次拆卸后,牙型的微小變化有增加磨損和擦傷的趨勢(shì)[4]。

美制統(tǒng)一螺紋(UN)于1948年提出，ASME B 1.1《統(tǒng)一英制螺紋(UN和UNR牙型)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B 1.1)是最早的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),在世界貿(mào)易中UN螺紋標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛的應(yīng)用。UN螺紋標(biāo)準(zhǔn)系列由三個(gè)等級(jí)螺距系列(粗牙UNC、細(xì)牙UNF、超細(xì)牙UNEF)和8個(gè)等螺距系列(每英寸分別為4、6、8、12、16、20、28和32牙)組成。UN螺紋的各個(gè)等級(jí)根據(jù)公差和裕量來(lái)相互區(qū)別,1 A級(jí)、2 A級(jí)和3 A級(jí)用于外螺紋,1 B級(jí)、2 B級(jí)和3 B級(jí)用于內(nèi)螺紋。1 A級(jí)和1 B級(jí)用于要求有自由公差和裕量能輕松裝配、甚至用較淺的螺紋即可裝配的場(chǎng)合；2 A級(jí)和2 B級(jí)是使用最廣的通用螺紋等級(jí),包括螺栓、螺釘、螺母及類(lèi)似的螺紋緊固件；3 A級(jí)和3 B級(jí)用于裝配的嚴(yán)密性和/或螺紋件的精確度都很重要的場(chǎng)合。由于外螺紋的中徑公差與內(nèi)螺紋不同,在螺紋符號(hào)中用“A”表示外螺紋,用“B”表示內(nèi)螺紋[5-13]。

米制普通螺紋(M)是使用最多的一般用途機(jī)械緊固件螺紋,對(duì)整個(gè)機(jī)械制造領(lǐng)域有著重大影響。ISO米制普通螺紋采用了統(tǒng)一螺紋的螺紋牙型；在制定ISO米制普通螺紋公差時(shí),也將統(tǒng)一螺紋公差作為重要的參考基準(zhǔn),歐洲國(guó)家基本上直接采用ISO米制普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)于1963年采用ISO米制普通螺紋標(biāo)準(zhǔn),第一次修訂了中國(guó)米制普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)[14-17]。

2　API Spec 6 A中儀表接口選用規(guī)定

API Spec 6 A中對(duì)井口采氣樹(shù)裝置的儀表連接口按兩類(lèi)壓力等級(jí)進(jìn)行分別規(guī)定,并在螺紋和結(jié)構(gòu)形式上作了詳細(xì)技術(shù)要求。

當(dāng)井口采氣樹(shù)工作壓力小于或等于69.0 MPa(10 000 psi)時(shí),儀表連接口螺紋應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法制成內(nèi)螺紋,且公稱(chēng)尺寸不應(yīng)小于12 mm(1/2 in)。API Spec 6 A明確給出了API Spec 5 B《套管、油管和管線(xiàn)管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》的LP螺紋相關(guān)制造規(guī)定,同時(shí)規(guī)定了應(yīng)采用LP螺紋或NPT螺紋,且內(nèi)外螺紋尺寸和公差應(yīng)符合API Spec 5 B或ASME B 1.20.1規(guī)范要求[4]。

當(dāng)井口采氣樹(shù)工作壓力為103.5 MPa(15 000 psi)和138.0 MPa(20 000 psi)時(shí),儀表連接口用的螺紋應(yīng)符合AMSE B 1.1的要求,外螺紋為2 A級(jí),內(nèi)螺紋為2 B級(jí),連接類(lèi)型和尺寸應(yīng)符合API Spec 6 A的要求[4],見(jiàn)圖1。

針對(duì)高壓儀表螺紋連接,API Spec 6 A中不僅規(guī)定了連接螺紋應(yīng)采用UN螺紋UNF細(xì)牙系列,明確了螺紋尺寸和等級(jí),更重要的是針對(duì)不同連接情況定義了3種連接形式(TYPEⅠ、TYPEⅡ和TYPEⅢ),采用60°圓錐線(xiàn)密封的方式,可形成高密封推力和低扭矩力,有效避免高壓腐蝕介質(zhì)對(duì)螺紋牙口的破壞。該高壓儀表螺紋連接形式同樣可應(yīng)用于工作壓力小于或等于69.0 MPa(10 000 psi)的井口采氣樹(shù)上儀表連接。由于高壓儀表螺紋連接的特殊結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,本文只對(duì)工作壓力為103.5 MPa(15 000 psi)和138.0 MPa(20 000 psi)的井口采氣樹(shù)高壓儀表安裝設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

3　高壓儀表安裝設(shè)計(jì)

3.1API TYPE Ⅲ連接結(jié)構(gòu)

API Spec 6 A中提出3種儀表連接方式,API TYPE Ⅲ連接最為常用,其組成部件見(jiàn)圖2。

圖2　API TYPE Ⅲ連接組成部件

常見(jiàn)的API TYPE Ⅲ連接接頭由壓蓋、螺紋短管和環(huán)三部分組成,螺紋短管端面為57°～59°圓錐與閥門(mén)內(nèi)螺紋底部的60°～62°凹形圓錐形成配對(duì)金屬密封,將腐蝕性介質(zhì)密封在流道內(nèi),不與承壓螺紋接觸,比常見(jiàn)的NPT螺紋的密封方式有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。API Spec 6 A中高壓儀表連接方式均推薦在內(nèi)螺紋底部加工直徑約3 mm的排氣孔,既可用于檢查錐形密封性能,又能保護(hù)螺紋。在安裝API TYPE Ⅲ連接接頭時(shí),環(huán)嵌套在壓蓋內(nèi)部,壓蓋螺紋旋進(jìn)力轉(zhuǎn)換為螺紋短管的高密封推力,不會(huì)在密封錐面上產(chǎn)生切向受力,最大程度保護(hù)密封錐面幾何尺寸。

借鑒國(guó)外高壓閥門(mén)制造行業(yè)慣例,采用不同的類(lèi)型代碼對(duì)圓錐密封和UN螺紋承壓的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示,如F 250 C(F為Female(內(nèi))、250為1/4″(×1 000)、C為Cone(圓錐))、F 562 C,與API TYPE Ⅲ連接接頭配對(duì)的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1[18]。外螺紋接頭同樣使用該類(lèi)型代碼,表示與其配合的內(nèi)螺紋信息,類(lèi)型代碼對(duì)應(yīng)包括了螺紋短管外徑、壓力等級(jí)和詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸,但不能區(qū)分API Spec 6 A中提出的3類(lèi)連接方式,實(shí)際工程中應(yīng)附加API TYPE Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ進(jìn)行區(qū)分。對(duì)比API TYPE Ⅲ連接結(jié)構(gòu),API TYPE Ⅱ連接接頭實(shí)際上是一個(gè)螺紋堵頭；API TYPE Ⅰ連接接頭沒(méi)有壓蓋和環(huán),不具有方向可調(diào)(活接)的功能[19]。

表1高壓(HP)連接內(nèi)螺紋尺寸表(數(shù)據(jù)僅供參考)

螺紋短管外徑類(lèi)型代碼壓力等級(jí)/MPa(psi)1/4F250C413.8(60000)3/8F375C413.8(60000)9/16F562C413.8(60000)9/16F562C40275.9(40000)5/16F312C1501034.5(150000)1F1000C43296.5(43000)尺寸A/mm(in)B/inC/mm(in)D/mm(in)F/mm(in)H/mm(in)13.1(33/64)9/16(18牙)9.7(0.38)11.1(0.44)4.3(0.17)2.4(0.094)17.4(11/16)3/4(16牙)13.5(0.53)15.7(0.62)6.6(0.26)3.2(0.125)26.6(13/64)11/8(12牙)15.7(0.62)19.1(0.75)9.7(0.38)4.8(0.188)26.6(13/64)11/8(12牙)15.7(0.62)19.1(0.75)9.7(0.38)6.4(0.250)14.7(37/64)5/8(18牙)15.7(0.62)26.9(1.06)6.4(0.25)2.4(0.094)32.9(119/64)13/8(12牙)20.6(0.81)33.3(1.31)22.4(0.88)11.1(0.438)圖形

盡管實(shí)際應(yīng)用中常用的外螺紋接頭為F 250 C和F 562 C,壓力等級(jí)可達(dá)413.8 MPa(60 000 psi),但配套的儀表閥承壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)井口采氣樹(shù)裝置的承壓等級(jí)進(jìn)行選擇,如選用103.5 MPa(15 000 psi)或138.0 MPa(20 000 psi)的儀表閥。

工程應(yīng)用中對(duì)高壓儀表閥和接頭的表示方法推薦由螺紋短管外徑、類(lèi)型代碼、API類(lèi)型、壓力等級(jí)和材質(zhì)組成,儀表閥表示為：高壓截止閥9/16 HP(F 562 C)138.0 MPa(20 000 psi)316 L；接頭表示為：高壓外螺紋接頭9/16 HP(F 562 C,API TYPE Ⅲ)413.8 MPa(60 000 psi)316 L。

3.2傳統(tǒng)儀表組合安裝方式

根據(jù)石油天然氣開(kāi)采的工藝需求,對(duì)井口采氣樹(shù)裝置的油壓和套壓進(jìn)行就地和遠(yuǎn)傳壓力檢測(cè),井口儀表的傳統(tǒng)安裝方式通常采用標(biāo)準(zhǔn)儀表閥門(mén)、三通件和螺紋接頭進(jìn)行組合安裝,傳統(tǒng)儀表組合安裝圖見(jiàn)圖3。

井口采氣樹(shù)裝置套壓檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)組合安裝見(jiàn)圖4。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)組合安裝情況,總結(jié)出幾點(diǎn)不足之處：中間環(huán)節(jié)較多,增加泄漏風(fēng)險(xiǎn)；安裝形式分散,總重量大,扭矩偏大,影響圓錐密封性能；高壓外螺紋接頭1/4 HP(F 250 C,API TYPE Ⅲ)的螺紋短管外徑為Φ 6.35 mm,內(nèi)徑為Φ 2.11 mm,強(qiáng)度偏低,現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)彎曲跡象。

注:1.由井口采氣樹(shù)裝置成套提供；2.規(guī)格為9/16 HP(F 562 C,API TYPE Ⅲ)；3.規(guī)格為1/4 HP(F 250 C,API TYPE Ⅲ)。圖3　傳統(tǒng)儀表組合安裝圖

圖4　現(xiàn)場(chǎng)組合安裝圖

3.3優(yōu)化儀表組合安裝方式

根據(jù)傳統(tǒng)儀表組合安裝方式存在的不足,綜合考慮安裝緊湊、重量最小、風(fēng)險(xiǎn)降低和操作可行等因素,推薦采用簡(jiǎn)化后的高壓儀表閥組[20]和泄壓閥組合使用的方式。優(yōu)化儀表組合安裝圖見(jiàn)圖5。

優(yōu)化儀表組合安裝方式的若干改進(jìn)及建議：

1)由于現(xiàn)場(chǎng)安裝保留了井口采氣樹(shù)裝置自帶的儀表閥門(mén),故組合安裝后仍保持了雙閥關(guān)斷的高要求。

2)優(yōu)化后閥組安裝緊湊、重量和扭矩都降至最小,有效避免了由于較大扭力對(duì)圓錐線(xiàn)密封的不良影響。

3)API Spec 6 A中推薦的螺紋排氣孔建議保留,作為密封泄漏檢查孔。

4)盡管螺紋排氣孔可作為泄壓孔使用,但由于現(xiàn)場(chǎng)操作人員松開(kāi)壓蓋時(shí),排放速率難以把控,存在高壓氣體傷害風(fēng)險(xiǎn),建議配套采用獨(dú)立泄壓閥(圖5)。對(duì)于保溫伴熱的閥門(mén)需將泄壓閥排氣口用Tube管引出。

5)泄壓閥與高壓儀表閥組接口采用F 562 C接口,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝需求靈活調(diào)整泄壓閥。

6)對(duì)于壓力表和壓力變送器分別獨(dú)立關(guān)斷的需求,若采用雙主閥+雙泄壓閥的方式,閥體重量過(guò)大,對(duì)螺紋連接密封影響較大,無(wú)法達(dá)到優(yōu)化安裝目的；建議每只儀表閥組配套提供1個(gè)9/16 HP(F 562 C,API TYPE Ⅱ)堵頭,在壓力表或壓力變送器進(jìn)行拆除或校驗(yàn)時(shí)用堵頭進(jìn)行臨時(shí)盲堵,不影響另外儀表正常工作。

4　結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)方案分析及優(yōu)化,可以清楚地看出,優(yōu)化后的安裝方式既滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求,又避免了傳統(tǒng)安裝方式存在的風(fēng)險(xiǎn)。

1)由于API Spec 6 A中提出的高壓螺紋連接的先進(jìn)性,可以在其他高壓、高腐蝕或振動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2)即使井口采氣樹(shù)裝置自帶儀表閥螺紋形式多樣,只需通過(guò)外螺紋接頭即可轉(zhuǎn)換為F 562 C標(biāo)準(zhǔn)接口，假如預(yù)留接口為1/2″NPT(F),則外螺紋接頭為1/2″NPT(M)-9/16 HP(F 562 C,API TYPE Ⅰ),可保證閥門(mén)規(guī)格簡(jiǎn)單統(tǒng)一,現(xiàn)場(chǎng)安裝適應(yīng)性強(qiáng),備品備件單一。

3)高壓壓力表選型除采用9/16 HP(F 562 C,API TYPE Ⅲ)接口外,還應(yīng)根據(jù)安裝需要,靈活選用徑向型或軸向型。

4)高壓壓力變送器接口通常為F 250 C,但1/4 HP(F 250 C,API TYPE Ⅲ)外螺紋接頭強(qiáng)度不足,應(yīng)采用1/4 HP(F 250 C,API TYPE Ⅰ)外螺紋接頭。

5)滿(mǎn)足功能要求前提下,簡(jiǎn)化安裝,達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)約投資的目的。

6)現(xiàn)場(chǎng)緊固安裝時(shí)應(yīng)按制造商的相關(guān)要求進(jìn)行操作,應(yīng)采用力矩扳手,避免對(duì)密封面的損壞。

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[18] Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc. Fittings, Tubing & Nipples—High Pressure [Z]. Pennsylvania: Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc., 2011.

[19] Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc. Adapters/Couplings [Z]. Pennsylvania:Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc., 2011.

[20] Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc.Sour Service Products [Z]. Pennsylvania:Autoclave Engineers Fluid Components Division of Snap-tite, Inc., 2011.

2016-01-20

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏60×108m3/a開(kāi)發(fā)地面工程(S 2013-015 E)

黃強(qiáng)(1985-),男,四川內(nèi)江人,助理工程師,學(xué)士,主要從事天然氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.018