《石油天然气工业井下电加热器》

1石油天然气工业井下电加热器试验方法、检验规则以及标志、防护、贮存、运输和文件等。本文件适用于电阻式电加热器的设计、制造、检验和验收。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；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GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T713.7承压设备用钢板和钢带第7部分：不锈钢和耐热钢GB/T1234高电阻电热合金GB/T3323.2焊缝无损检测射线检测第2部分：使用数字化探测器的X和伽玛射线技术GB/T3952电工用铜线坯GB/T4238耐热钢钢板和钢带GB/T5777无缝和焊接（埋弧焊除外）钢管纵向和/或横向缺欠的全圆周自动超声检测GB/T6145锰铜、康铜精密电阻合金线、片及带GB/T7735无缝和焊接（埋弧焊除外）钢管缺欠的自动涡流检测GB/T18404铠装热电偶电缆及铠装热电偶GB/T18851.1无损检测渗透检测第1部分：总则GB/T20967无损检测目视检测总则GB/T21653镍及镍合金线和拉制线坯GB/T26953焊缝无损检测渗透检测验收等级GB/T34204连续油管GB/T37910.1焊缝无损检测射线检测验收等级第1部分：钢、镍、钛及其合金GB/T43320焊缝无损检测超声检测薄壁钢构件自动相控阵技术的应用GB/T44051焊缝无损检测薄壁钢构件相控阵超声检测验收等级JB/T8508电工级氧化镁NB/T47046承压设备用镍及镍合金板23术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1井下电加热器downholeelectricheater安装于油气井筒内用于加热井筒内介质的圆管状铠装加热装置。3.2芯线corewires电加热器内部电热芯线和导电芯线的总称。3.3电热芯线electroheatingcorewire由电阻电热合金材料制成的线状导体，是电加热器的发热单元。3.4导电芯线conductivecorewire由导电金属材料制成的线状导体，是电加热器的供电单元。3.5绝缘层insulationlayer填充在芯线与护套管之间的绝缘介质层。3.6护套管sheath电加热器外层的金属管状外壳。3.7供电段power-feedsection电加热器中连接外部电源接口与加热段用于供电的结构部分。3.8加热段heatingsection电加热器中用于发热的结构部分。3.9尾端terminalend电加热器末端用于密封的结构部分。3.10工作温度operatingtemperature电加热器在服役条件下，护套表面可长期稳定运行的温度。3.11米功率powerpermeter3电加热器加热段部分每米的功率。3.12泄漏电流leakagecurrent在护套管和芯线之间施加一定电压时流经绝缘层的电流。3.13反复弯曲性能reverse-bendingproperty电加热器承受多次单向弯曲的能力。3.14额定功率ratedpower在规定应用条件下，按设计电压使电加热器达到最高使用温度所需的理论计算功率。4结构与型号4.1结构4.1.1井下电加热器由供电段、加热段及尾端三部分组成，典型结构见图.1。标引序号说明：1——供电段（含过渡段）；2——加热段；3——尾端；4——护套管；5——绝缘层；6——导电芯线；7——电热芯线；8——热电偶。图1电加热结构示意图4.1.2供电段与加热段均包含金属护套管、芯线、绝缘层以及热电偶，其中热电偶为可选配部件。供电段采用导电芯线，加热段采用电热芯线，电热芯线在末端星形连接。电加热器典型截面结构示意见图4a)a)三芯单护套加热器结构b）三芯双护套加热器结构c)三相单护套加热器结构d）三相双护套加热器结构e)三相单护套加热器（无填充）结构标引序号说明：1——护套管；2——热电偶；3——芯线；4——绝缘层；5——工艺护套。图2电加热器截面结构示意图4.2型号电加热器型号及其所代表的含义规定如下：5DRQ□-□-□-□L________测温点数量，用阿拉伯数字表示 加热段长度（m） 米功率（kW） 外径（mm） 电加热器代号外径为31.8mm，米功率为2kW，加热段长度为400m，测温点数量为3，型号表示为：DRQ31.8-2-400-3。5技术要求5.1技术参数电加热器典型外径规格包括φ25.4mm、φ31.8mm、φ38.1mm、φ44.5mm、φ50.8mm，其主要技术参数见附录A。5.2材料要求5.2.1护套管电加热器护套管宜采用耐热钢、不锈钢、镍基合金等耐热材料，耐热钢应符合GB/T4238的要求，不锈钢应符合GB/T713.7的要求，镍基合金应符合NB/T47046的要求。5.2.2绝缘层绝缘层介质材料宜选用氧化镁材料，氧化镁应符合JB/T8508的要求。5.2.3电热芯线电热芯线材质宜采用镍铬合金、铜镍合金等。镍铬合金芯线应符合GB/T1234的要求，铜镍合金材料芯线应符合GB/T6145的要求。电热芯线表面应光洁、无油污、无毛刺以及无目视可见的氧化变色和锈斑。5.2.4导电芯线导电芯线材质宜选用铜、铜镍合金、镍等。铜芯线应符合GB/T3952的要求，铜镍合金芯线应符合GB/T6145的要求，镍芯线应符合GB/T21653的要求。导电芯线表面应光洁、无油污、无毛刺以及无目视可见的氧化变色和锈斑。5.2.5尾端6尾端材料宜选用与护套管相同或相近的材料。5.2.6热电偶如电加热器内置热电偶时，宜选择铠装热电偶，铠装热电偶应符合GB/T18404的规定。5.3电气性能5.3.1功率偏差在额定电压下，电加热器的功率偏差不应超过±8%。5.3.2绝缘电阻室温绝缘电阻值应不小于20MΩ。5.3.3耐压性能在1.1倍额定电压下持续作用至少60秒，电加热器应无闪络或击穿现象。5.3.4泄漏电流室温条件下，在电加热器护套管与芯线之间施加1.1倍额定电压，测得的泄漏电流值应不大于0.5mA/m。5.3.5三相电流平衡在通流试验条件下，电加热器分别在0.5倍和1倍额定电压下的三相电流不平衡度应不大于5%。5.3.6发热均匀性在通流试验条件下，电加热器升至额定电压，电加热器加热段最外层护套管表面温度最大温差应不大于50℃。5.3.7内置热电偶电性能如电加热器内置热电偶时，应检验每根热电偶的每根偶丝的电连续性。测量铠装热电偶每根偶丝与热电偶套管之间绝缘电阻应大于10000MΩ•m。5.4力学性能5.4.1拉伸性能FS>1.5G（1）7Fs——实测屈服载荷，单位为牛（N）。实测屈服载荷为Rp0.2对应的载荷值；G——电加热器理论重量，单位为牛（N）。m1=0.785xnxxL1+p2xL2)xd2x10_6（2）m1——芯线质量，单位为千克（kgn——芯线数量；ρ1——导电芯线密度，单位为千克每立方米（kg/m3ρ2——加热芯线密度，单位为千克每立方米（kg/m3L1——导电芯线长度，单位为米（m）；L2——加热芯线长度，单位为米（m）；d——芯线直径，单位为毫米（mm）。m2=0.785xp3xLx（D2_nxd2）x10_6（3）m2——绝缘层质量，单位为千克（kgρ3——绝缘层密度，单位为千克每立方米（kg/m3），取值2800；L——电加热器长度，单位为米（m）；D——护套管内径，单位为毫米（mm）；n——导体数量；d——芯线直径，单位为毫米（mm）。m3=3.14xp4xLx（D0xθ_θ2）x10_6（4）m3——护套管质量，单位为千克（kgρ4——护套管材料密度，单位为千克每立方米（kg/m3L——电加热器长度，单位为米（m）；D0——护套管外径，单位为毫米（mm）；θ——护套管厚度，单位为毫米（mm）。M0=m1+m2+m3........................................................................（5）M0——电加热器总质量，单位为千克（kgm1——芯线质量，单位为千克（kgm2——绝缘层质量，单位为千克（kgm3——护套质量，单位为千克（kg）。G=9.8xM0...........................................................................（6）G——电加热器理论重量，单位为牛（N）；M0——电加热器总质量，单位为千克（kg）。85.4.2压扁性能电加热器试样经压扁试验后，试样表面应无裂纹、裂缝或裂口。试样绝缘电阻值应符合5.3.2的规定，耐压性能应符合5.3.3的规定。5.4.3反复弯曲性能除的规定外，电加热器试样经300次反绝缘电阻值应符合5.3.2的规定，耐压性能应符合5.3.3的规定。如电加热器内置热电偶时，不应进行反复弯曲试验。5.5无损检测5.5.1管体及纵焊缝护套管管体全周向应采用超声检测或涡流检测，若管体带有纵焊缝时，应同时采用超声或涡流检测纵焊缝。采用超声检测时，检测结果应符合GB/T5777中验收等级U3的规定。采用涡流检测时，应符合GB/T7735中验收等级E2H或E3H的规定。5.5.2环焊缝管体环焊缝应进行射线检测，经购方和制造商协商，也可采用超声检测方法进行检测。采用射线检测时，检测结果应符合GB∕T37910.1中的1级；采用超声检测时，验收等级应符合GB∕T44051中的1级。发现任何缺陷即判定该焊缝不合格，应切除焊缝和整个热影响区。尾端环焊缝应进行100%的渗透检测，检测结果应符合GB/T26953中1级。发现任何缺陷即判定该焊缝不合格，应切除尾端重新进行封堵。5.6表面质量5.6.1电加热器护套管表面应光洁，不应有折叠、裂纹、断弧、烧穿及其他深度超过规定壁厚15%的5.6.2当缺陷清除后剩余壁厚不小于规定壁厚的85%时，应采用可实现清除区域与护套管外壁平滑过渡的工艺彻底清除缺陷；缺陷清除部位表面粗糙度需达到400目～600目砂纸打磨光洁等级，并采用超声检测手段复核缺陷清除位置的剩余壁厚。5.7尺寸偏差5.7.1电加热器外径偏差范围应为公称直径的±10%；椭圆度应小于20%。5.7.2电加热器加热段长度偏差范围应为规定长度的±2%。6试验方法96.1电气性能试验6.1.1功率偏差电加热器功率偏差计算方法见公式（7）。式中：ε——功率偏差；百分数（%）P1——实测功率，单位为千瓦（kW）；P2——额定功率，单位为千瓦（kW）。6.1.2绝缘电阻测量和耐压试验试验前对电加热器端部进行临时性密封，并露出芯线。按如下步骤试验。a)将电加热器（含尾端）整体浸入室温水中（供电端露出水面）至少1h。取出后控干水分，并在8h内分别按照6.1.2b）和6.1.2c）进行绝缘电阻和耐压性能试验。b)使用绝缘电阻测试仪在电加热器的芯线和护套管之间施加直流电压进行测量，直流电压符合表1规定。在通电1min后读取绝缘电阻值。c)对电加热器芯线和护套管之间施加1.1倍设计电压，升压速率不低于150V/s，持续加压不少于60s。观察试验过程有无闪络和击穿现象。表1直流电压选择设计电压（V）直流电压0＜U＜500500V500≤U＜30001000V3000≤U＜100002500V6.1.3泄漏电流在电加热器不通电且护套管与大地绝缘的条件下，用泄漏电流测试仪或其他电测设备按如图3所示试验原理进行测量。按如下步骤进行。a)按图1所示连接电路。b)通过开关K将1.1倍额定电压施加在电加热器护套管和芯线之间，连接在串联回路中的毫安表测得电流即为泄漏电流。标引符合说明：U——试验电压；K——电路开关。图3泄漏电流测量电路图6.1.4三相电流平衡和发热均匀性试验试验程序通流试验在电加热器完成6.1.2~6.1.3检测后进行，在室温条件下，将电加热器接入电源，分阶段升压至额定电压，最大升压速度不大于100V/min。试验程序按照以下步骤进行：a）记录环境温度，并按照6.1.3b）方法测量初始绝缘电阻值，确认满足5.3.2要求后进行b)步骤。b）施加0.5倍额定电压，持续10min~15min，确认无异常现象，记录试验电压、三相电流、电加热器表面最高温度、环境温度和热电偶的示值（如适用）。c）继续升压至额定电压，符合下列情形之一时试验结束。1）电加热器表面温度＜最高工作温度：保持该电压运行时间不小于60min。每5min记录一次数据，包括试验电压、三相电流、电加热器表面最高温度及环境温度。2）电加热器表面温度≥最高工作温度：记录试验电压、三相电流、电加热器表面最高温度、环境温度和热电偶的示值（如适用），停止通流。数据处理电加热器的发热均匀性和三相电流不平衡度按照如下计算：a）发热均匀性电加热器发热段表面温度检测选取不少于5个测点，分别测量各点温度，计算最高和最低两个温度点差值；b）三相电流不平衡度加热器三相电流不平衡度计算方法见公式（8），三相电流平均值计算方法见公式（9）。x100%...............................................................式中：ƐI——三相电流不平衡度；Imax——三相电流中最大一相电流，单位为安培（A）；Iavg——三相电流平均值，单位为安培（A）。IavgIavg——三相电流算数平均电流，单位为安培（A）；IA、IB、IC——分别是三相系统中A、B、C三相的电流值，单位为安培（A）。6.1.5热电偶配对偶丝的电连续性验证每对偶丝的电连续性。试验时确保引线、接插件和接线端等所有组件具有稳定的电连续性。绝缘电阻在规定环境条件（温度20℃±15℃,相对湿度不超过80%）下，铠装热电偶两端密封防潮后，在铠装热电偶每根偶丝与热电偶套管之间施加550V试验电压，施加电压1min测量绝缘电阻。6.2力学性能试验6.2.1拉伸试验从电加热器供电段端部截取3个长度为650mm±50mm的全截面拉伸试样。如电加热器存在环焊缝，增取一个环焊缝试样，环焊缝位置在试样中心±20mm处。在室温条件下，拉伸试验按GB/T228.1描述的方法进行。若受试验机夹具结构限制，需在试验前对试样夹持部位进行适当加工。屈服载荷为3个试样结果的最小值。如电加热器存在环焊缝，屈服载荷为4个试样结果的最小6.2.2压扁试验从电加热器两端各截取2个长度为（1.0±0.1）m的压扁试样。如电加热器存在环焊缝，增取2个环焊缝试样，确保环焊缝位置位于试样中心。截取后立即对试样两端进行密封防潮处理。并按照6.1.2b）和6.1.2c）描述的方法测量试样初始绝缘电阻及耐压性能。压扁试验机压板的宽度不小于1.6倍的试样直径，压板的长度不小于试验规定的最小压扁长度。压板的边缘为不小于10mm的圆角。将试样置于两压板之间，确保其轴线与铁平板平面上较长的一边平行。2个试样的焊缝应分别位于0°和90°位置。对于环焊缝试样，应确保环焊缝位置处于压板的中间。在室温条件下，沿垂直于试样纵向轴线移动压板进行压扁，压板的移动速率不超过25mm/min。压板移动至两板之间的距离小于0.9倍试样初始外径时停止。试样最小压扁长度为150mm。压扁后，对试样表面进行目视检查，观察是否出现裂纹或裂缝。按下列方式之一进行：a）若试样表面未出现裂纹或裂缝，将试样的压扁部分（两密封端露出水面）浸入水中1h后，分别按照6.1.2b）和6.1.2c）描述的方法进行绝缘电阻和耐压性能试验。b）若试样表面出现裂纹或裂缝，则试验终止。6.2.3反复弯曲试验从电加热器两端各截取2个长度为1.5m±0.1m的试样。如电加热器存在环焊缝时，增取2个环焊缝试样，确保环焊缝位置位于试样中心。截取后立即对试样两端进行密封防潮处理。按照附录B进行反复弯曲试验。6.3无损检测方法6.3.1管体及纵焊缝管体及纵焊缝的超声检测按GB/T5777的规定进行，管体及纵焊缝的涡流检测按GB/T7735的规定进行。6.3.2环焊缝环焊缝的射线检测按GB/T3323.2规定的技术等级B级对管体环焊缝进行。超声检测按GB/T43320规定的等级D进行。尾端环焊缝的渗透检测按GB/T18851.1的规定进行。6.4外观检查6.4.1按GB/T7735的要求采用涡流检测方法进行检测。6.4.2按GB/T20967采用目视检验的方法检查护套管的表面缺陷。6.5尺寸测量6.5.1使用千分尺、游标卡尺或测距投影仪等工具测量电加热器外径（测量一个横截面的实际外径）。测量工具的示值误差不应大于0.5%。6.5.2对已盘卷在卷筒上的电加热器，在电加热器两端测量外径，且该测量部位在电加热器的卷曲过程中未发生过塑性变形。记录所测量的最大值和最小值。6.5.3椭圆度计算公式为：2(Dmax—Dmin)/(Dmax+Dmin)，Dmax和Dmin分别为在规定位置测量的最大外径和最小外径，椭圆度用百分数表示。6.5.4使用计米器测量电加热器长度。计米器示值误差不大于0.5%。6.5.5加热段长度从电热芯线与导电芯线接头位置开始测量，该接头位置在制造过程中予以确定并记录。加热段长度通过计米器从供电段末端（外部标记点）开始测量，该标记点与内部接头位置相对应。记录测量的电加热器长度。7检验规则7.1型式检验7.1.1有下列情况之一时，取1盘电加热器按表2规定进行型式检验。a）新产品投产。b）当产品结构设计、制造工艺或原材料发生变化时。c）长期停产（12个月）后恢复生产或者转厂生产。d）出厂检验结果与上次型式检验结果有较大差异时。7.1.2型式检验按照表2规定的型式检验项目进行检验。全部试验检验项目符合要求，则该产品型式检验合格。如有不符合要求试验项目时按下列规定进行：a）对于检验电加热器的电气性能、无损检测、表面质量及尺寸偏差检验项目，如其中一个试验项目不符合要求，则判定该产品型式检验不合格；b）对于检验电加热器的力学性能的试验项目，如其中一个试样检验结果不符合要求，应在相同位置复取两个新的试样对该试验项目进行复验。如两个复验试样均满足试验要求，则判定该产品型式检验合格，如复验时仍有不符合要求的项目，则该产品型式检验不合格。7.2出厂检验每盘电加热器在出厂前应按照表2规定的出厂检验项目进行检验。电加热器全部试验检验项目符合要求，则判定产品合格。如有不符合要求试验项目时按下列规定进行：a）对于检验电加热器的电气性能、无损检测、表面质量及尺寸偏差检验项目，如其中一个试验项目不符合要求，则判定该产品不合格；b）对于检验电加热器的力学性能的试验项目，如其中一个试样检验结果不符合要求，应在相同位置复取两个新的试样对该试验项目进行复验。如两个复验试样均满足试验要求，则判定该电加热器产品合格，如复验时仍有不符合要求的项目，则该电加热器产品不合格。表2检验项目序号检验项目型式检验出厂检验技术要求检验方法1电气性能试验功率偏差●●.12绝缘电阻●●.23耐压性能●●.34泄漏电流●●.45三相电流平衡●●.56发热性能●●.57内置热电偶●●.68力学性能试验拉伸试验●●.19压扁试验●-.2反复弯曲●-.3无损检测无损检测●●5.56.3表面质量外观检查●●5.66.4尺寸偏差尺寸测量●●5.76.5注：“●”表示必检项目，“-”表示非必检项目。8标志、防护、贮存和运输8.1标志制造商应按照本文件的规定，在电加热器卷筒上以模版漆印，或系挂吊牌方式对电加热器进行标识，标志应清晰、耐用。电加热器标志应包括以下内容：a）制造商名称或注册商标；g）制造日期。8.2防护电加热器应整齐盘卷在卷筒上，卷筒应符合GB/T34204相关要求。电加热器端头应密封包装，并进行防水处理。应采取如下避免与液体环境发生接触的一种或多种保护措施：a)用塑料包裹装运电加热器的卷（盘）；b)用保护电加热器外表面适当的防水油布覆盖措施；c)将电加热器卷（盘）置于特定密封容器内，以防止电加热器与外界液体的接触；d）将电加热器卷（盘）存放在干燥库房内。8.3贮存电加热器入库前要对端头进行密封，并存放在通风和无有害气体的场所，不应露天存放。8.4运输8.4.1在发运前已入库的电加热器，应在发运前检查电加热器端头密封情况，如果端头密封损坏，制造商应对端头进行加热排潮处理，并再次进行密封。8.4.2采用船舶或卡车运输时，电加热器制造商或代理人应按照购方要求，采取适当措施减少运输或装卸过程中的性能损失。9质量证明书和记录文件9.1制造商应向购方提供产品质量证明书，说明依据本文件进行材料的制造、检测。9.2制造商应保存相关记录文件不少于5年。电加热器常用规格选型表A.1电加热器常用规格见表A.1。表A.1电加热器常用规格选型表电加热器外径mm发热芯线为镍铬合金发热芯线为铜镍合金加热段长度m米功率kW/m最大加热功率kW米功率kW/m最大加热功率kW25.40.08800.1810000.10.32308000.20.53006000.520045040024004.595020031.80.22000.550010000.32400.86408000.63609006005602.08004005.52.754020038.10.4400100010000.756012808007203.018006002.84.0160040022605.3106020044.50.8800190010009603.024008002.213205