水 下油气装备对可靠性 要求非常高，下水前 必须经过严格的地面 试验。由于我国水下 油气装备产业起步较晚，使用的装 备基本依赖进口，同时也没有成熟 的试验技术可以借鉴。以水下井口 系统中的核心部件套管悬挂器为例， 结合 API 规范，开展套管悬挂器地 面试验技术研究，对套管悬挂器地 面试验项点进行了梳理，详细阐述 各项试验的试验流程及验收准则， 构建系统规范的套管悬挂器地面试 验技术体系，为其它水下油气装备 的地面试验提供指导和借鉴。
 
套管悬挂器应用试验
 
套管悬挂器是水下井口头系统 的关键部件，安装在每个套管柱的 顶端， 通过螺纹与其相连， 支撑管柱。 一般设计有工具锁紧槽及流道孔， 前者实现与下放工具连接，后者主 要用于平衡工具上下两端的压力， 降 低 下 放 阻 力。 待 测 套 管 悬 挂 器 为两种规格，分别为 9- 5 / 8 "、13- 3 / 8 "， 额 定 工 作 压 力 10,000psi， 材 料 等 级 EE 级， 最 大 悬 挂 载 荷 450t。
 
根据 API 17D 要求，套管悬挂 器应视为控压件，需要进行性能鉴 定试验及工厂验收试验。套管悬挂 器的性能鉴定试验应符合 API 17D 5.1.7 的要求，应进行内压性能鉴定 试验， 以验证悬挂器的结构完整性。 该试验不应受套管钢级和螺纹的限 制。采用性能验证程序来鉴定套管 悬挂器时，应能生产在设计、尺寸 / 公差、制造流程、偏差和材料方面 具有代表性的样机。如果产品设计 在配合、型式、功能或材料方面有 任何更改，应将对产品性能产生影 响的相应更改形成文件。有实质性 更改的设计应视为一种新设计，要 求重新试验。套管悬挂器性能鉴定 试验主要包括静水压试验、压力循 环试验、载荷试验，而套管悬挂器 的工厂验收试验应对其进行尺寸检 查或通径试验。 静水压试验
 
静 水 压 试 验 的 主 要 目 的 是 检 测套管悬挂器承压状态下的结构完 整 性。 试 验 压 力 为 15,000psi， 试 验 介 质 为 自 来 水。 首 先 按 照 图 纸 组 装 试 验 装 置， 连 接 压 力 管 线，开启静水压试验系统；打压至 15,000psi，断开压力源，待压力 稳定后开始计时， 保压 3 分钟， 泄压； 再次打压至 15,000psi，断开压力 源，待压力稳定后开始计时，保压 15 分钟，泄压；试验结束。试验过程中测试装置无可见泄露，且 3 分 钟压降小于 0.17MPa，15 分钟压降 小于 0.86MPa，则可确定套管悬挂 器的静水压试验合格。由于套管悬 挂器上下两端内径存在差值，进行 压力试验时，会产生较大的轴向载 荷。
 
在进行试验装置设计时，设计 堵头，将轴向力传递到套管悬挂器 本体上。套管悬挂器静水压试验装 置主要由套筒和堵头组成，套筒与 堵头通过螺纹连接，如图 2 所示。 经计算，试验压力为 15,000psi 时，产生的轴向载荷为 5,071KN。 M150 螺 纹 承 受 剪 切 载 荷， 有 效 螺纹长度 145mm，经计算，剪切 强度为 74.26MPa；套筒材料选用 30CrMo， 抗 拉 强 度 930MPa， 许 用 剪 应 力 558MPa， 得 到 安 全 系 数 n 为 7.51，螺纹强度满足要求。 采用 ABAQUS 软件对堵头强度进 行校核。建立三维实体模型，采用 C3D8R 线性六面体网格。将堵头螺 纹区域施加载荷 5,071KN，堵头下 端与套筒底端接触区域添加固定约 束。计算结果显示，最大 Mises 应 力为 369.1MPa，堵头屈服应力为 735MPa，安全系数为 1.99，结构 强度满足要求。 压力循环试验
 
压力循环试验的目的是检测套 管悬挂器压力循环状态下的结构完 整 性。 试 验 压 力 为 15,000psi， 试 验 介 质 为 自 来 水。 首 先 根 据 图 纸 组 装 试 验 装 置， 连 接 压 力 管 线， 开 启 静 水 压 试 验 系 统。 打 压 至 15,000psi，断开压力源，压力 稳定后开始计时，保压 3 分钟，泄 压；打压至 15,000psi，断开压力 源；压力稳定后开始计时，保压 15 分钟，泄压；打压至 10,000psi， 泄 压， 循 环 三 次； 再 次 打 压 至 15,000psi，断开压力源，压力稳 定后开始计时，保压 3 分钟，泄压； 打压至 15,000psi，断开压力源， 压力稳定后开始计时，保压 15 分 钟，泄压；试验结束。试验过程中 测试装置无可见泄露，且 3 分钟压 降小于 0.17MPa，15 分钟压降小于 0.86MPa，则可确定套管悬挂器的 压力循环试验合格。套管悬挂器的 压力循环试验装置与静水压试验装 置一致。根据试验程序，对 9- 5 / 8 ″ 套管悬挂器进行了压力循环试验， 试验结果满足规范要求。
 
载荷试验
 
套管悬挂器载荷试验的目的是 校核套管悬挂器悬挂承载能力，试 验载荷为 450t。按图纸将套管悬挂 器与试验装置装配后，平稳放置在 压力机上；施加 450t；检查套管悬 挂器外观，检测并记录关键尺寸。 试验后套管悬挂器结构完整，待测 尺寸变化在设计范围内，则载荷试 验合格。套管悬挂器外部设计支撑 图 2 9- 5 / 8 ″ 套管悬挂器压力试验装置 1、套筒；2-3、O 型圈（挡圈）；4、套管挂；5-6、O 型圈（挡圈）；7、堵头 套，下端设计连接头，通过中心压 杆施加压载，达到利用压机检测套 管悬挂器悬挂能力的目的。
 
试验后， 13- 3 / 8 " 套管悬挂器未发生塑性变 形，主要尺寸变化在设计允许范围 内，结构强度满足。 最后，进行工厂验收试验。试 验的目的是检测套管悬挂器关键尺 寸及部件间装配是否符合设计要求。 依据 API-6A、 API-17D 标准要求， 开展套管悬挂器地面试验技术研究， 梳理了套管悬挂器地面试验项点， 并详细阐述静水压试验、压力循环 试验、载荷试验及出厂验收试验的 试验流程、验收准则；充分考虑试 验的可操作性与结构强度要求，优 化设计，完成试验装置的研制，并 最终通过试验，完成了对套管悬挂 器的地面测试，初步建立了系统的 套管悬挂器地面试验技术体系，为 其它水下装备地面试验提供借鉴与 参考。
 
（注：此文为 863 计划“深水油气勘 探开发技术与装备”项目“海洋石油 水下井口头系统工程化研制” 课题 （课 题编号：2013AA09A221）。）