Comment la fracturation du tuyau traite-t-elle de la pulsation et des vibrations à haute pression?

Dans les opérations de fracturation, tuyaux de fracturation Doit résister à la pulsation à haute pression (fluctuations de pression) et à des vibrations mécaniques, posant des exigences extrêmes sur leur conception structurelle et leurs propriétés de matériau. Voici les mécanismes de base par lesquels les tuyaux de fracturation relèvent ces défis:

1. Conception de la couche de renforcement: absorption des fluctuations de pression et énergie de vibration
   Couche de tresse en fil en acier à haute résistance
   La couche de tresse en fil d'acier sert de structure principale d'origine du tuyau, en utilisant un pironderie multicouche (par exemple, 4 ou 6 couches) pour former un "squelette de maillage" qui distribue uniformément la haute pression à travers la paroi du tuyau, minimisant les concentrations de contraintes localisées.
   Analogie: Semblable aux barres d'armature dans le béton armé, la tresse en fil d'acier agit comme des barres d'armature, tandis que la couche de caoutchouc fonctionne comme le béton, résistant collectivement.
   Couche de renforcement des fibres aramides (facultatif)
   Les fibres aramides (par exemple, Kevlar) offrent une forte résistance et un module élastique faible, capable d'absorber l'énergie de vibration à haute fréquence et de réduire les dommages à la fatigue du tuyau.
   Avantage: plus léger que le fil en acier, adapté aux applications sensibles au poids.

2. Conception de couplage: réduction des risques de concentration de stress et de fuite
Couplage intégral
Le couplage est moulé dans le corps du tuyau par la vulcanisation, éliminant les problèmes de relâchement des boulons associés aux connexions à bride traditionnelles.
Principe: La structure intégrale transfère directement la pression à la couche de tresse de fil en acier, minimisant la concentration de contraintes au niveau du couplage.
Couplage anti-vibration
Intègre des tampons de tampon élastiques (par exemple, en caoutchouc ou en polyuréthane) dans le couplage pour absorber l'énergie des vibrations et prévenir la fatigue métallique.
Application: couramment utilisé dans les connexions à un équipement de pompage à forte intensité de vibration.

3. Sélection du matériau en caoutchouc: flexibilité d'équilibrage et résistance à l'usure
Doublure intérieure
Utilise le caoutchouc de nitrile hydrogéné (HNBR) ou le polyuréthane thermoplastique (TPU), offrant un module élastique élevé et une résistance à l'usure pour résister à l'abrasion des fluides de fracturation chargés de sable.
Étude de cas: les doublures internes TPU réduisent les taux d'usure de 50% par rapport au caoutchouc NBR traditionnel sous frottement des particules de sable.
Couverture extérieure
Emploie le caoutchouc chloroprène (CR) ou le caoutchouc de nitrile (NBR), offrant une résistance aux intempéries et des propriétés anti-âge pour empêcher la fissuration de l'exposition aux UV et de l'ozone.

4. Test et validation dynamique: assurer la longévité du tuyau
Test de pulsation de pression
Simule les fluctuations de pression réelle (par exemple, 0 à 15 000 cycles de psi) pour évaluer la durée de vie du tuyau.
Norme: Les spécifications de l'API 7K nécessitent que des tuyaux passent au moins 100 000 tests de cycle de pression.
Tests de vibration
Monte le tuyau sur une table de vibrations, en appliquant des vibrations verticales / horizontales pour évaluer les performances d'étanchéité des accouplements et des corps du tuyau.
Métrique: plage de fréquences de vibration généralement 5 à 50 Hz, l'accélération ne dépassant pas 10 g.

5. Exemple du monde réel: application du tuyau de fracturation dans un puits de gaz de schiste
Conditions de fonctionnement: débit de fluide de fracturation de 200 bbl / min, pression de 10 000 psi et teneur en sable de 10%.
Solution:
Adopte une couche de renforcement composite à fibre aramide à 6 couches à 6 couches.
Utilise la doublure intérieure TPU et la couverture extérieure CR.
Le couplage dispose d'une conception intégrale avec un tampon en caoutchouc.
Résultat: Le tuyau a fonctionné en continu pendant 100 heures sans fuite, avec un déplacement de couplage sous des tests de vibration mesurant moins de 0,5 mm.