含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強(qiáng)度分析范文
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《鋼管雜志》2016年第4期
摘要：
采用理論分析和實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強(qiáng)度。結(jié)果表明：腐蝕坑深度對(duì)油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對(duì)抗外壓擠毀性能的影響次之，對(duì)抗拉性能的影響最小；采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預(yù)測(cè)含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：
油管；腐蝕；剩余強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；抗擠強(qiáng)度；圓錐形腐蝕坑；腐蝕坑深度
隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油氣井腐蝕損壞問(wèn)題日益嚴(yán)重，成為困擾石油開(kāi)采工業(yè)的一大難題。油管一旦發(fā)生腐蝕，將會(huì)降低油管的力學(xué)性能，甚至引發(fā)油管斷落入井的腐蝕事故［1-2］。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)油管腐蝕損壞開(kāi)展了大量研究，但主要集中在油管腐蝕機(jī)理和防護(hù)技術(shù)方面，對(duì)于油管腐蝕后的剩余強(qiáng)度研究較少［3-7］。開(kāi)展油管腐蝕后的剩余強(qiáng)度研究，對(duì)于降低油管使用風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)油氣井生產(chǎn)壽命具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油管腐蝕坑形態(tài)主要分為球形、橢球形、圓錐形和圓柱形4種［8-11］。本文首先對(duì)舊油管的實(shí)物性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，然后通過(guò)均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對(duì)含圓錐形腐蝕坑舊油管的剩余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，最后將3種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)物性能進(jìn)行對(duì)比，建立一種實(shí)用的舊油管剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。
1舊油管實(shí)物性能評(píng)價(jià)
采用游標(biāo)卡尺、測(cè)厚儀及腐蝕坑深度測(cè)量?jī)x對(duì)12根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級(jí)舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，并在復(fù)合載荷試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其整管抗拉性能進(jìn)行測(cè)試。12根舊油管的幾何尺寸及拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：腐蝕坑深度占名義壁厚的百分比為15%~28%，油管的抗拉強(qiáng)度與最大腐蝕坑深度占名義壁厚百分比之間并不遵循嚴(yán)格的反比關(guān)系。例如，腐蝕坑深度占比為15%的11Y油管，其抗拉強(qiáng)度為1368.6kN，反而低于腐蝕坑深度占比為28%的3Y油管的抗拉強(qiáng)度。對(duì)13根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級(jí)舊油管的幾何尺寸及腐蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，并在內(nèi)壓爆破試驗(yàn)機(jī)上對(duì)舊油管的抗內(nèi)壓爆破性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。13根舊油管的幾何尺寸及內(nèi)壓失效試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出：13根舊油管的內(nèi)壓失效壓力均滿足APIBull5C2—1999《套管、油管和鉆桿使用性能》［12］標(biāo)準(zhǔn)要求（96.3MPa），最大值較最小值高出44.0%。內(nèi)壓失效壓力最大的舊油管，其腐蝕坑深度占名義壁厚的17%；內(nèi)壓失效壓力最小的舊油管，其腐蝕坑深度占名義壁厚的57%。5Z的厚徑比（t/D）較4Z高出12.5%，但最大腐蝕坑深度較4Z高出2.66mm，因此內(nèi)壓失效壓力反較4Z低2.1MPa；9Z的t/D較4Z高出19.3%，最大腐蝕坑深度相近，所以內(nèi)壓失效壓力較4Z高33.7MPa。其余樣管的腐蝕坑深度與內(nèi)壓失效壓力值也呈較好的反比關(guān)系。這在一定程度上（因影響套管的內(nèi)壓性能因素較多，比如屈服強(qiáng)度、t/D等）說(shuō)明舊油管的抗內(nèi)壓性能與腐蝕坑深度關(guān)系較大。對(duì)13根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級(jí)舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，并在外壓擠毀試驗(yàn)機(jī)上對(duì)舊油管的抗外壓擠毀性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。13根舊油管的幾何尺寸及外壓擠毀試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出：13根舊油管的抗外壓擠毀性能差異很大，其中有7根（占53.8%）不滿足APITR5C3—2008［13］標(biāo)準(zhǔn)要求（93.3MPa），最大為123.1MPa（超出標(biāo)準(zhǔn)要求31.9%），最小僅為11.9MPa（較標(biāo)準(zhǔn)要求值低81.4MPa），但其余樣管的腐蝕坑深度與抗擠強(qiáng)度之間并不嚴(yán)格遵循反比關(guān)系，這是因?yàn)橛绊懹凸芸雇鈮簲D毀性能的因素較多，比如屈服強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、外徑不圓度、壁厚不均度、t/D等。綜上所述，38根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級(jí)舊油管的最大壁厚為7.73mm，最小壁厚僅為3.73mm，相差107%；最大外徑為89.90mm，最小外徑為85.00mm，相差6%。影響管體抗拉強(qiáng)度的因素主要為材料的抗拉強(qiáng)度、外徑及壁厚；影響管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度的因素主要為材料的屈服強(qiáng)度、外徑及壁厚；影響管體抗擠強(qiáng)度的因素主要為材料的屈服強(qiáng)度、外徑、壁厚、殘余應(yīng)力等。該批舊油管實(shí)物性能的評(píng)價(jià)主要考慮了腐蝕對(duì)外徑和壁厚的影響，得出腐蝕坑深度對(duì)油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對(duì)抗外壓擠毀性能的影響次之，對(duì)抗拉性能的影響最小。此外，在測(cè)量了31根舊油管表面的腐蝕坑尺寸后發(fā)現(xiàn)，該批舊油管腐蝕坑深度占名義壁厚超過(guò)30%的根數(shù)占總抽檢根數(shù)的16%；因此，均勻壁厚腐蝕法和腐蝕坑均勻排布法均以腐蝕坑深度占30%名義壁厚的樣管進(jìn)行分析，可以代表該批80%以上舊油管的剩余強(qiáng)度現(xiàn)狀。
2舊油管剩余強(qiáng)度理論分析
采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對(duì)舊油管的剩余強(qiáng)度（包括抗拉強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗擠強(qiáng)度）進(jìn)行理論計(jì)算，并將以上3種理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)物性能進(jìn)行對(duì)比，選擇一種理論模型作為含腐蝕缺陷油管剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型。
（1）均勻壁厚腐蝕法。均勻腐蝕也叫全面腐蝕，即腐蝕分布在整個(gè)金屬表面上，從重量來(lái)說(shuō)，均勻腐蝕代表了腐蝕對(duì)舊油管的最大破壞。以Φ88.90mm×6.45mm油管為例，對(duì)于腐蝕坑最大深度為30%名義壁厚的多點(diǎn)腐蝕或均勻腐蝕來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度計(jì)算公式中的壁厚采用4.52mm，實(shí)際外徑采用85.04mm。
（2）概率分布法。對(duì)該批舊油管外表面的腐蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出腐蝕坑的平均深度為1.21mm，按此平均值進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。以Φ88.90mm×6.45mm油管為例，腐蝕坑平均深度占名義壁厚厚度的18.8%，則強(qiáng)度計(jì)算公式中的實(shí)際壁厚采用5.24mm，實(shí)際外徑采用86.48mm。
（3）腐蝕坑均勻排布法。假設(shè)腐蝕坑形狀完全相同，均為圓錐形，且均勻分布在油管外表面，腐蝕坑均勻排布如圖1所示；任意選取一個(gè)腐蝕坑截面，其計(jì)算模型如圖2所示。截面上任意一個(gè)腐蝕坑的面積S損失與截面上腐蝕坑的總面積S總損失的計(jì)算見(jiàn)公式（1）~（2）：S損失=D22•2arcsinbD360-D2-hb2（1）S總損失=∑S損失=DDαS損失（2）油管外徑D取88.9mm，腐蝕坑深度h取1.935mm（名義壁厚的30%），腐蝕坑直徑b取25mm（該批油管實(shí)測(cè)平均腐蝕坑直徑）；考慮腐蝕坑引起的壁厚損失，則S損失=31.8（mm2），S總損失=350.1（mm2），S剩余=S腐蝕前面積-S總損失=1319.7（mm2）。根據(jù)S剩余=D/2-t等效可推算出油管的有效壁厚t等效為5.01mm。（4）實(shí)物性能（3σ準(zhǔn)則）。3σ準(zhǔn)則是先假設(shè)一組檢測(cè)數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，認(rèn)為凡超過(guò)這個(gè)區(qū)間的誤差，就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。采用3σ準(zhǔn)則對(duì)實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并取μ-3σ值作為實(shí)物試驗(yàn)預(yù)測(cè)值。σ=ni∑（xi-μ）2n-1姨（3）式中σ—標(biāo)準(zhǔn)差；μ—均值；n—測(cè)量次數(shù)。以拉伸試驗(yàn)為例，將拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）代入公式（3），計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差σ為110.5kN，平均值為1440kN，則μ-3σ值為1109kN。
2.1含腐蝕坑舊油管抗拉強(qiáng)度分析
采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對(duì)舊油管的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，管體抗拉強(qiáng)度的計(jì)算見(jiàn)公式（4），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對(duì)實(shí)物拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出：在3種舊油管的抗拉強(qiáng)度理論計(jì)算中，采用均勻壁厚腐蝕法計(jì)算出來(lái)的抗拉強(qiáng)度最小，采用概率分布法計(jì)算出來(lái)的抗拉強(qiáng)度最大，采用腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗拉強(qiáng)度介于前兩者之間。其中，采用腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗拉強(qiáng)度與實(shí)物性能最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測(cè)舊油管的抗拉強(qiáng)度。P1=0.7854（D2-d2）Y1（4）式中P1———管體抗拉強(qiáng)度，kN；D———實(shí)際外徑，mm；d———實(shí)際內(nèi)徑，mm；Y1———材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度，MPa。
2.2含腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓強(qiáng)度分析
采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對(duì)舊油管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，抗內(nèi)壓強(qiáng)度的計(jì)算見(jiàn)公式（5），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對(duì)實(shí)物內(nèi)壓至失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出：采用均勻壁厚腐蝕法計(jì)算出來(lái)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度最小，采用概率分布法計(jì)算出來(lái)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度最大，采用腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度介于前兩者之間。其中，采用腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度與實(shí)物抗內(nèi)壓性能最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測(cè)舊油管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。P2=0.875（2Y2t/D）（5）式中P2———抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Y2———材料實(shí)際屈服強(qiáng)度，MPa；t———實(shí)際壁厚，mm。
2.3含腐蝕坑舊油管抗擠強(qiáng)度分析
根據(jù)均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對(duì)舊油管的抗擠強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，擠壓強(qiáng)度的計(jì)算見(jiàn)公式（6），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對(duì)實(shí)物外壓擠毀試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出：在3種舊油管的抗擠強(qiáng)度理論計(jì)算中，采用均勻壁厚腐蝕法計(jì)算出來(lái)的抗擠強(qiáng)度最小，概率分布法計(jì)算出來(lái)的抗擠強(qiáng)度最大，腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗擠強(qiáng)度介于前兩者之間。采用3種理論計(jì)算方法得到的抗擠強(qiáng)度均較實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3，依據(jù)3σ準(zhǔn)則）大。這是因?yàn)?σ準(zhǔn)則是以測(cè)量次數(shù)充分大為前提的，而且對(duì)正態(tài)或近似正態(tài)分布的樣本數(shù)據(jù)處理最有效，本次抽檢的13根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級(jí)舊油管抗擠強(qiáng)度離散度較高，不符合正態(tài)分布要求，不適用于3σ準(zhǔn)則，因此采用實(shí)物抗擠強(qiáng)度平均值與3種理論計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：腐蝕坑均勻排布法計(jì)算出來(lái)的抗擠強(qiáng)度與實(shí)物抗擠強(qiáng)度平均值（94.5MPa）最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測(cè)舊油管的抗擠強(qiáng)度。P3=Y3（BtD-A）-C（6）式中P3———抗擠強(qiáng)度，MPa；Y3———材料實(shí)際屈服強(qiáng)度，MPa；A、B、C———經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；其中，A=0.026233+0.50609×10-6Y3，B=2.8762+0.10679×10-5Y3×0.21301×10-10Y32-0.53132×10-16Y33，C=-465.93+0.030867Y3-0.10483×10-7Y32-0.36989×10-13Y33。
3討論
均勻壁厚腐蝕法事先假定腐蝕分布在整個(gè)金屬外表面，按實(shí)測(cè)的最大腐蝕坑深度作為壁厚損失量，然后以此壁厚進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，因此代表了最苛刻的腐蝕狀態(tài)；概率分布法是對(duì)油管外表面的腐蝕坑深度進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算腐蝕坑的平均深度，然后以此平均值作為壁厚損失量進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；腐蝕坑均勻排布法是預(yù)先假設(shè)腐蝕坑形狀均為圓錐形，且均勻分布在油管外表面，然后按實(shí)際面積推算油管剩余壁厚，并計(jì)算剩余強(qiáng)度。油管抗拉強(qiáng)度與其有效承載面積關(guān)系較大，因此，當(dāng)以均勻腐蝕為主要腐蝕方式時(shí)，采用均勻壁厚腐蝕法進(jìn)行油管的剩余抗拉強(qiáng)度計(jì)算較為準(zhǔn)確；當(dāng)以點(diǎn)腐蝕為主時(shí)，應(yīng)該采用腐蝕坑均勻排布法進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的計(jì)算。油管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度對(duì)腐蝕坑較為敏感，在有嚴(yán)重腐蝕坑存在的情況下，油管會(huì)未破先漏，因此宜用腐蝕坑均勻排布法進(jìn)行抗內(nèi)壓強(qiáng)度的計(jì)算；只有在腐蝕較為均勻或較輕時(shí)，才會(huì)發(fā)生膨脹開(kāi)裂，此時(shí)用均勻壁厚法預(yù)測(cè)最小抗內(nèi)壓強(qiáng)度較為合適。t/D是影響油管抗擠強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，因此當(dāng)以均勻腐蝕為主時(shí)，宜用均勻壁厚腐蝕法進(jìn)行油管的剩余抗擠強(qiáng)度計(jì)算。而當(dāng)發(fā)生的是點(diǎn)腐蝕時(shí)，應(yīng)該采用腐蝕坑均勻排布法進(jìn)行剩余抗擠強(qiáng)度的計(jì)算。
4結(jié)論
（1）單個(gè)腐蝕坑深度對(duì)舊油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對(duì)抗外壓擠毀性能的影響次之，對(duì)拉伸性能的影響最小。
（2）采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預(yù)測(cè)含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強(qiáng)度。
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作者:朱加強(qiáng) 寧明 袁金雷 范永佳 毛玉林 崔汝?yáng)| 史交齊 王軍 單位:中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司物資供應(yīng)處商檢所 西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司