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夹持不打滑 – 硬面铬管的安全运行与管理
在有腐蚀性环境的井下，如果不采取适当的防护措施，一个完井的使用寿命会严重减少。由耐腐蚀合金（CRA）制成的管道可用来最大限度地减少腐蚀。最近，钢铁制造商已经研发出了改良的耐腐蚀合金（CRA），具体如Cr13的衍生物，其特征是管道外有着一层黑色光滑的表面。
当这些所谓的“超级合金”或“超耐蚀合金”刚开始使用时，从现场工作人员那偶尔会传来打滑的报告。幸运的是，没有管柱的损失，也没有伤亡事故的发生，然而，由于需要恢复安全操作，从而失去了宝贵的钻井时间。这些滑动发生在各个卡瓦牙与各类卡瓦式吊卡或卡盘之间。
汉诺威大学进行的一项调查显示，上述整个管道表面，有超过60 Rc硬度。即使卡瓦牙使用特殊的夹持零件，专门为耐蚀合金管道设计，如Micro-Grip™系统，有一定大的硬度，也仅仅略高于此种管道表面的硬度。使用传统的楔型卡盘和吊卡系统，如果没有采取特殊的防护措施，在一定负载条件下会导致打滑。
基于这些结果和楔型卡盘、吊卡的工作原理，一种新式小型化卡盘／吊卡被设计出来了。该设备可以受气压或液压控制，并且，给卡瓦施加了一个高达40吨液压的向下的力，因此，必须保证有严密的监控。除了传统的钢制卡瓦牙，该设备能配备一个可以将要求载荷量均等分配到许多小尖峰上的夹持系统的卡瓦牙，即Micro-Grip™卡瓦牙。这可以最大限度地减小每个峰值的压痕损伤，因此，以往的研究和实地经验表明，保持管道表面的完整性和防止管道腐蚀有关。该设备可以嵌装在钻台上，进一步提高了安全性。
1.引言
在有腐蚀性环境的井下，如果不采取充足的防护措施，一个完井的使用寿命会严重减少。尤其是对于由耐蚀合金制成的专门用于减轻腐蚀强度的管状材料。由于油井里各种各样的井下环境，如温度、可溶解和不可溶解气体，以及随深度变化的压力，需要全面综合地规划一个最佳的防腐保护系统。对井下环境的分析，可指导选择适当的材料，以确保在目前的腐蚀性环境下的最长寿命。
钢管生产厂家，已经对运营公司的特殊要求作出反应。用于提高合金的耐腐蚀的主要成分是的铬。通常，在C.R.A.合金中铬含量可达13％，偶尔铬含量会较高，以应对特殊的腐蚀条件。
传统的卡盘和吊卡卡瓦牙产生的拉磨划痕能够助长腐蚀。一个名叫Micro-Grip的夹持系统能将要求载荷量均等地分配到许多小尖峰上，以最大程度地减轻每个尖峰的压痕。
在技术文献中能发现，从很多实例中清楚地表明，钢管表面的损坏或压痕与加速腐蚀之间的关系。几个涉及腐蚀的事故，无论从动力钳或卡盘／吊卡装备都可归咎于拉磨划痕，室内实验已明确显示出卡盘拉磨划痕，钳牙刻痕和腐蚀之间的关系。
对于操作避免造成这类损害的系统的必要性，在这些文献中都有专门的表述。
不损害钢管表面完整性，用以操作和运行耐蚀合金管材的特殊设备已开发出来，从而提高了管道的整体耐蚀性。
2.C.R.A.设备的管理和运行
运行使用（CRA）管材时，必须格外小心，重点在于正确管理设备和程序，以保持钢管表面的完整性，从而防止严重腐蚀。
2.1操作位置
操作的位置，如从运输箱卸载耐腐蚀管道时，可将他们准备在管架上，再提升到井架上，且必须使用工具及其辅助配件，以防止钢管表面和“黑色”钢或其他金属之间的直接接触。
以下是一些关于必须采用的防护措施，以及整个操作系统中一小部分必须使用的部件的例子：
管架和通道应铺上木板或内衬弹性体（如橡胶垫）。
• 应采用气动保护和钻孔导向，以防止损坏螺纹以及易于改善操作。
• 钢管必须使用聚四氟乙烯涂层的工具冲孔。
2.2套管钳的特殊模具（Micro-Grip钳）
传统的液压套管钳钢模可能会造成表面损伤，从而导致腐蚀。摩擦防滑系统已经开发出来，用于在较高的上扣力矩下的螺纹连接，且在钢管上没有表面压痕。然而，这些防滑摩擦系统只能提供有限的最大转矩，尤其是当钢管的表面潮湿或油腻时，或当这种所谓的“无痕接入口”的摩擦传输能力有所限制时。
一种新式夹持模具系统已经开发出来，即不通过摩擦，而是通过使用内嵌在一个弹性体中的锯齿状立式抓持条来传递力矩，被称为Micro-Grip卡盘系统。传递扭力矩所需要的力被均等地分配到很多个小型抓持零件上，因此每个独立抓持零件上的压痕得到了最大程度的减小（见图1）。科学测试表明，当使用Micro-Grip卡瓦牙时，保持了CRA钢管表面的完整性，因此它的防腐性能也保存了下来。
该系统已成功输入超过20.000Nm的扭矩，用于普通标准钢和传统的含铬量13%的管道材料，如有高研磨硬度的“超级合金”或“超耐蚀合金”。
2.3装有Micro-Grip 卡瓦牙的卡盘和吊卡
卡盘和吊卡系统在运行操作过程中是用来支撑套管、衬垫或在某些地方支撑完井管柱的。通常情况下，楔式卡瓦系统作用在管柱垂直方向的分力，可产生一个楔形度，从而产生支撑管柱所需的夹持力。作为替代方案，能承受联轴器上整个管柱重量的系统也是可用的。
传统的卡盘和吊卡系统，配备有包含在系统启用时会渗入到钢管表面的钢制模具的卡瓦。由于楔形度，压在钢管表面的力正比于被卡盘或吊卡支撑起的重量。径向力与轴向力的比例取决于楔角的大小。
   正如Micro-Grip技术是为了套管钳而研发，如此类似的卡瓦牙则是为了卡盘和吊卡而开发的。该系统结合了传统楔形卡盘、吊卡的工作原理和一种新设计的抓持系统。管柱的总荷载分散地分布在嵌入弹性材料的一个抓持钢条中成千上万个细齿切口上。
径向力压在弹性材料上，且将压力依次均等分配到所有的夹持钢条上。因此夹持钢条上每个尖峰实际上都负载着和钢管表面同样的径向力，即使是表面不平整，或者钢管的几何形状显示为如椭圆（图2）等的不平衡形式。
径向负载的总体分配，由此在夹持钢条上的每个峰尖产生低荷载，都致使管材中每个峰尖的压痕都得到了最大程度地减轻。
    最初，传统的卡盘和吊卡都配备有特别设计的包含卡瓦牙保持架的卡瓦。在此期间，现场实地经验推动了具有特别设计的卡盘和吊卡的发展，被称为Vario™小型卡盘／吊卡系统。
开发的两个类型为200吨的Vario小型卡盘／吊卡（图3）和350吨的Vario小型卡盘／吊卡（图4）。
这类卡盘／吊卡将结构紧凑、气动或液压控制的优点以及Micro-Grip技术相结合。
2.3.1 200吨型 Vario小型卡盘／吊卡
200吨的Vario小型卡盘／吊卡开发于1995年，可以作为两种配置使用—卡盘或吊卡。提供了一个控制线标准为1”插槽，然而插槽的选择扩宽到标准4”的直径，用来允许这种设备在大多数要求完成的操作中能得以使用。
技术数据（表1）
高度（卡盘配置） 720毫米
高度（吊卡配置） 650毫米
直径（包含顶伸吊环） 800毫米
直径（不包含顶伸吊环） 520毫米
重量（不含卡瓦） 800公斤
容量 200短吨
钢管尺寸范围 2 5/8”－5 1/2”
2.3.2 350吨型 Vario小型卡盘／吊卡
350吨的Vario小型卡盘／吊卡，开发于2000年上半年，也可以作为卡盘或吊卡使用。提供了一个中央控制槽为110毫米（4 1/2”）的标准来允许在大多应用中，包括只能完井作业。
技术数据（表2）
高度（卡盘配置） 983毫米
高度（吊卡配置） 1483毫米
直径（包含顶伸吊环） 1169毫米
直径（不包含顶伸吊环） 870毫米
重量（不含卡瓦） 2500公斤
容量 350短吨
管道尺寸范围 2 7/8”－7 5/8”
这两种卡盘／吊卡类型都可使用一种称为“篮子”的设备进行嵌入式安装。可以插入到一个37.5”标准的回转台。
在最大允许韧性范围内，200吨的Vario小型卡盘／吊卡卡瓦使用一个套管适配器后也可用于350吨的Vario小型卡盘／吊卡（见图4）。
3 由于硬质管表面引起的打滑
Micro-Grip防滑系统在实地现场已成功使用了一些年，但突然之间，在1998/99年度，出现了Micro-Grip防滑系统夹持失去控制的个别事故报告。后来更多的事故从更加广泛的地区报道出来，如：
•阿曼
•埃及
•南美洲
•墨西哥湾
•挪威
•英国
•阿尔及利亚
这似乎随机出现在整个工作过程中的打滑事故，包括了在4 1/2”和7”范围内的各种尺寸大小，也似乎与钢管的重量无关，因为他们发生在各种不同的载荷下。这些事故的发生在设备和环境因素之间没有任何关系，也没有任何事件导致非常危险的情况。
事件发生后的立即调查显示，在所有的报告事故中,一种新的CRA合金被认为是超级或超Cr13型合金被包含了进来。这被一些主要钢铁制造商推崇为适用于存在少量H2S的油气井中，或是由于高温引起严重腐蚀的井下环境的超级耐蚀合金。进一步的实地考察报告指出，传统的钢模具也未能牢牢夹持住钢管表面。
操作单位报告指出这个问题，在于要求提供造成打滑钢管的样品。
3.1钢管表面的实验室试验
Micro-Grip卡瓦牙和运行管材的接触面是钢管表面。Micro-Grip系统的设计为需要均等地将支撑钢管所需求的载荷分配到大量的小尖峰上，进而牢牢夹持住钢管，从而将钢管表面的压痕深度控制在微米单位积范围内，从而避免了不希望出现的腐蚀结果。此外，夹持零件的形状和硬度选择取决于需要防止的一些腐蚀类型，如裂隙腐蚀。
在汉诺威大学冶金研究所进行的测试集中在“超级”和“超 Cr13”型钢管的表面。材料分析可清楚地表明传统Cr13型和超级或超CR13型钢之间的差异。为了满足针对存在少量H2S和高温情况下提供额外的防腐蚀保护的要求，超级或超Cr13型钢材合金和规范的Cr13型有不同的化学组成。主要区别是额外的约5％的镍，由于这个组成，生产过程后残留的氧化层会均匀分布，这会使管道看起来似乎非常紧致、平滑。标准CR13合金表面上也有一些氧化层，但它脆、薄且更粗糙。
假设这种氧化层会造成标准模具的夹持零件像Micro-Grip模具一样失败，且已开始在现场观察到了打滑现象。因此，汉诺威大学被要求进行的管体表面硬度分析以及氧化程度，评估整个表面的厚度。
大多数的超级或超Cr13型合金被列为1000 N/mm2钢，相当于一架C-95钢级别。调查表明，钢材本身的表面硬度为HRC30。然而，整个调查发现，钢管表面覆盖了一层较厚的氧化层，测量厚度在19和64微米之间的强度可达到HRC64。虽然也有传统的CR13合金表面上也有氧化层，主要区别是，一个新的合金表面的氧化层较原来的钢管表面更加紧凑，更为粘附。粗糙的钢管表面、松散的氧化层和钢管表面以及传统的CR13合金管表面之间的接触从来不会有打滑的问题发生。
Micro-Grip防滑系统最初设计时，最大指定强度认定为HRC37。因此，夹持杆的硬度设计为HRC68，被认为能够提供足够高的安全余量，用以实现良好的夹持作用。
超级和Hyper CR13合金的主要制造商对评估的结果进行了讨论。汉诺威大学关于硬度和氧化层方面的条件测试结果与一个日本主要钢铁制造商在自己实验室获得的试验结果一致。显然氧化层方面的条件是化学组成和此种特殊合金的热处理所控制的。在成分或制造过程中的一个简单的变化，似乎都会是显得不切实际和/或不经济。
根据管材的观察报告超和超 Cr13材料和表面状况条件，有必要考虑改进现有的设备和运行使用管柱的程序。
3.2改进现场作业程序
Micro-Grip卡瓦已经开发出了各种标准的吊卡和卡盘体。卡瓦式卡盘和吊卡的设计准则表明Micro-Grip齿能否牢牢夹持住钢管表面主要取决于两个条件。分别是向下作用于卡瓦的力（如套管架的总重量）和卡瓦背部与吊卡或卡盘体邻近结构的摩擦系数。据发现，此处存在静摩擦，所以润滑时要小心，含聚四氟乙烯的润滑剂几乎在所有情况下都能解决打滑的问题。下面列出的是广泛发布的运行操作指导：
•为了提高楔形系统的效率，卡瓦背部／卡瓦体区域要予以润滑。一般情况下，标准钻杆螺纹油就可以达到目的，但是如果需要一个非常低的摩擦系数，就可以使用聚四氟乙烯螺纹脂。
•Micro-Grip卡瓦运行程序必须严密地监控。
•如果卡瓦牙阻塞或堵塞，必须要彻底清洗干净，最好用高压水清洁和/或用钢丝刷。
•个人因素也包含在Micro-Grip的运作过程中，特别是钻工，应特别注意，慢慢地移动卡瓦，以确保Micro-Grip卡瓦牙牢牢夹持住钢管。
从各地进一步的实地考察报告，以及试验结果显示，采取了特别措施，且如果遵循以上的建议和指导，发生打滑的可能性可以几乎完全消除。这些建议对所有重要的完井都是有效的，尤其是当要运行的管道是超级或超Cr13型或类似的合金钢管时更要执行。
4 进一步的设备改进
所有管理和运行的设备，如卡盘和吊卡，都被API 8C（卡盘，吊卡，卡瓦）或7K（卡盘嵌入安装的卡盘篮）认证。符合ISO 9001的内部威德福生产规范和质量管理规范需求一个发展进程中的风险分析。在这类如打滑事故发生之后，风险进程分析会被重新制定，以消除任何缺点或造成伤害的信息，进而，进一步提高装备水平。
在这个过程中，有人指出，吊钳牙板的滑移尽管不希望发生，但通常也不会对操作者或套管架造成突然的伤害。然而，套管架的滑动也应用尽方法来避免。
分析该系统卡瓦／卡盘体（图5）可以看出，该管的重量以及卡瓦和其反面区域的摩擦系数都对卡瓦牙的夹持力有影响。这样的楔形系统需要一些初步的夹持力，但一旦启动夹持系统，握管本身的重量，将提供足够的夹持力。
当采用超或超Cr13型钢运行时，在这个光滑且有氧化层的硬表面，获得最初的夹持力有时是不容易实现的。为了避免超级或超Cr13型管可能出现的打滑问题，尤其是当夹持零件达到工作上限时，决定在设计设备时增加额外的措施。为了防止硬管表面的打滑，如果350吨的Vario小型卡盘／吊卡是液压操作而不是气动，则决定在卡瓦上增加一个额外的40吨预负荷。
功能测试是在实验室中，用由用户提供的原始超和超 Cr13型钢管完成的。从10吨到最大额定负载，试用于10吨的增量，圆满完成了所有测试且并没有滑动记录。
这种新类型设备，1999年夏天在阿曼，成功地完成了第一次作业，与440 套入5 1/2”“超级Cr13-110，26磅/英尺钢管，运行过程中没有出现任何问题
5 结 论
管理程序和特殊设备，都在操作和运行含铬量从13%到28%CRA管材中得到了发展，现场实地经验表明了这套设备的可靠性，维护了CRA钢管表面的完整性。
随着新型超级或超铬管材的开发，运行程序需要进行升级和修改，以避免钢管的滑动。滑动的原因在于硬质氧化层统一覆盖在CRA材钢管体的表面。现场实地报告表明，各种模具都要受制于滑动，但在某些情况下，使用Micro-Grip卡瓦牙能解决标准钢制卡瓦牙引起的打滑问题。
升级后的运行程序几乎能解决所有的打滑问题。在某些情况下，当设备产生的夹持力达到最大工作极限时，它能给卡瓦提供一个外加向下的力用以获得初始夹持力。350吨的Vario小型卡盘／吊卡，最初采用的是气动激发，后来转换为液压操作，从而使40吨下降预负载可以运用到卡瓦上。这有助于解决了初始夹持力问题，且允许使用具有牢固夹持力的超和超Cr13套管架。

图1 套管钳的特殊模具（Micro-Grip钳）

图2 Micro-Grip 卡瓦牙

图3 200吨的Vario小型卡盘／吊卡 图4 350吨的Vario小型卡盘／吊卡

图4 350吨型 Vario小型卡盘／吊卡

图5 API 8C系统卡瓦／卡盘体