酸性油气田油套管抗腐蚀开裂设计新方法-.pdf

第2 8卷第 l期 2 0 1 0年 2月 天 然 气 与 石 油 Na t u r a l Ga s An d Oi l Vo 1 ． 28， No． 1 F e b ． 2 0 1 0 酸性油气 田油套 管抗腐蚀 开裂设计新方法 李天雷 一 ， 徐晓琴 ， 孙永兴 ， 曹晓燕 1 ． 中国石油工程设计有限公司西南分公司， 四川 成都 6 1 0 0 1 7 ； 2 ． 中国石油天然气集团公司石油管力学和 环境行为重点实验室N q 研究室， 四川 成都 6 1 0 0 1 7 ； 3 ． 国内贸易工程设计研究院， 北京 1 0 0 0 6 9 ； 4 ． 川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院博士后科研工作分站， 四川 广汉 6 1 8 3 0 0 摘要 屈服设计方法和断裂力学设计准则是材料设计的主要方法。N A C E T M 0 1 7 7 2 0 0 5 方法 D 已给 出了材料的环境断裂韧性试验方法， I S O 1 1 9 6 0也给 出了材料允许 的最 小环境断 裂韧性值 ， 但在油气田的选材上尚未采用断裂力学的设计方法。对油、 套管断裂韧性试验方法 进行 了详细介绍 ， 计算 出含不同深度裂纹的相 同几何尺寸的 C 1 1 0和 T 9 5两种套管的应力强 度因子 ， 分析 了油、 套管环境开裂机理， 在满足屈服 准则条件下， 油套管强度也要满足断裂力学 设计方法， 为油套管用户在选材上提 出了新的参考依据。 关键词 设计方法； 断裂力学； 断裂韧性； 油套管 文章编号 1 0 0 6 65 3 9 2 0 1 0 0 1 - 0 0 1 4 3 文献标识码 A 0 前言 随着高含硫化氢油气 田的开发， 油套管的工作 环境也趋于恶劣和复杂 ， 尤其是高温高压的油气井 中， 高强度的油套管开始在工程中得到应用 ， 高强度 油套管在高含硫 、 高温 、 高压环境 中断裂的问题 日趋 突出。 目前国内的油套管设计中一般都是采用屈服设 计准则 ， 而断裂力学的设计方法 尚未应用。采用的 屈服设计准则只能满足强度设计要求 ， 不能够对油 套管是否发生环境断裂进行定量 的准确判 断和分 析。本文对不同油套管断裂韧性试验方法进行了详 细介绍， 计算出含裂纹油井管的应力强度因子 ， 分析 应力状态对油套管环境 开裂机理 ， 进 而提出油套管 在高含硫化氢环境下断裂力学设计方法。 1 环境断裂韧性的试验测试方法 梁 D C B 试验方法 ， 是用于测量金属材料抗裂纹 扩展能力 ， 用临界应力强度系数 。 来表示 ， 即 为环境断裂韧性值 ， 用于硫化物应力开裂 的断裂力 学指标 ， 是一种开裂 一停止型 的断裂力学试验。其 试验原理是将受楔形块加载的试样暴露于规定的试 验溶液中 ， 在规定的试验时间以后取出试样 ， 根据试 样所产生裂纹的长度和裂纹止裂时楔子载荷求得 K ， 得出不同材料抗硫化物开裂的敏感性 ， 确定材 料是否符合抗硫标准 ， 试样示意图如图 1 所示 。 A t l 叶 u u - B J O O ． _ 4 0 ． 2 5 截 面A． A 图 1 D C B试样示意图 0 ． 3 7 _ 1 r _ _ 截面 B ． B N A C E T M 0 1 7 7 2 0 0 5标准方法 D法即双悬臂 N A C E双悬臂梁 D C B 试验涉及到材料的环境 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 6 3 0 作者简介 李天雷 1 9 8 0 一 ， 男， 河南周口人， 程师， 硕士， 主要从事材料与腐蚀防护工作。电话 0 2 8 8 6 0 1 4 3 5 7 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8卷第1 期 李天 雷， 等 酸性油气 田油套管抗腐蚀开裂设计新方法 1 5 断裂力学评价。在一般强度设计 中， 假设外载应力 达到材料屈服强度时 ， 构件就会失效。当构件 中存 在裂纹时， 其强度判据就转 变成 了材料抗裂纹扩展 的能力和裂纹尖端某种力学参量之间的关 系。 在腐蚀介质中， 即使外 载应力 比不发生 S S C环 境中的 K 小很多， 裂纹尖端仍存在使裂纹扩展的某 种驱动力 ， 使裂纹失稳并断裂。如果外载应力低于 某一值 ， 材料在腐蚀介质 中工作足够长的时间， 裂纹 虽有扩展 ， 但不会失稳 ， 对应于此状态 的应力强度因 子称为某腐蚀介质环境的临界应力强度因子。某腐 蚀介质环 境 的 临界断 裂 韧性 ， 记 为 K 。如 果是 H S环 境 ， 记 为 K 。 随着断裂力学的发展 ， 材料的断裂韧性 K 广泛 直用在结构设计和防断选材上。目前在输送管长输 管道方面 ， 已经采用 了断裂 力学方法评 选材料 ， 研究断裂 力学意义上的材料 开裂和止裂。 目前 ， 工 程应用 上多采用应力强度 因子来测定裂纹扩展速率 和估算油井管剩余寿命 ， 比传统使用强度极限 o r 作 为设计准则要准确的多。但是 ， 这些材料性能评 价 主要还停留在无腐蚀 的环境中 ， 即只考虑材料的断 裂韧性没有考虑材料的硫化物虚力腐蚀影响。在油 套管或井眼系统 中， 以腐蚀环境下 的断裂力学设计 方法 尚未 引用 。 H ， s腐蚀环 境下 的设计 准则 一 直采 用 N A C E T M0 1 7 7 2 0 0 5中 A方法进行材料的评价 ， 即 N A C E T M0 1 7 7 2 0 0 5标准 中要求所有抗硫钢材需满 足标 准 A溶液环境 ， 材料屈服强度在 8 0 ％ ～ 9 0 ％应力水 平下的抗硫化物断裂试验 ， 超 出此应力水平将增加 应力开裂的敏感性。N A C E方法 A主要只是 以强度 理论为判据来进行抗硫 化氢应力腐蚀 开裂材料评 选， 不能用于不同应力水平硫化物应力开裂 的计算。 可以用 以下方法解决 问题 按照 N A C E方法 D求出 在一定腐蚀环境下某种材料的临界强度断裂因子 ， 这样在设计时只涉及外载使材料的应力不超过临界 强度因子 ， 那么这种材料就可以采用。 2 应力强度因子的计算 油套管经常处于复杂载荷和井下腐蚀介质的恶 劣条件下工作 ， 油井管管体不可避免存在微裂纹 ， 由 裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生 ， 管体上裂纹 成核 、 扩展 、 刺漏及断裂的控制是确保钻油套管运行 安全的重要措施 。因此 ， 对带裂纹油井 管的承载能 力做出预测 ， 分析并求 出含裂纹油套管的应力强度 因子具有重要的工程价值 。 根据 I S O 1 0 4 0 0 石 油 天然 气工 业 一套 管、 油 管 、 钻杆和管线管性能公式及计算 标准 J ， 当管子 存在不可避免的裂纹时 ， 应采用韧性断裂公式和裂 纹失稳断裂公式计算抗内压强度。其中规定含硫油 气井中的套管 、 油管 只允许小 于 5 ％规定 壁厚的裂 纹存在 ， 普通钢级油套管可允许小 于 1 2 ． 5 ％规定壁 厚的裂纹存在。 本文的计算根据油气 田通 常采用 的 7 套 管为 例 ， 壁厚 1 2 ． 6 5 m m。设有一内壁纵 向裂纹 ， 深度为 壁厚的 5 ％递增至壁厚的 2 0 ％ ， 得到在内压 5 5 M P a 下不同裂纹深度下的应力强度 因子 。应力强度因子 的计算方法采用文献 推荐方法 进行计算。其计 算公式如图 2所示。 图2 含内壁裂纹的应力强度因子计算公式 - RI 套管的内半径为 ， 外半径为 尺 ， 内壁上裂纹 的深度为 0 ， 内压力为 P。内壁上 的应力为 1 裂纹尖端的应力强度因子为 I 。 ／ 7 r 。 r 2 1 Km KⅡ 图2中F为修正系数 ， 对不同的 nR ／ R 值给 出了 F一0曲线 O L 。 ／ R 一R ， 根据 内径 、 外径 和裂纹 尺寸 求 出 F， 由 R 7 6 ． 2 5 m m， R 8 8 ． 9 mm， P 5 5 MP a ， t 1 2 ． 6 5 r n m及式 2 ， 计算得到 7 套管不同深度裂纹 的裂尖应力强度 因子如表 1所 示 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 天 然 气 与 石 油 2 0 1 O 年 表 1 应力强度因子与缺陷数据表 3 断裂力学设计方法 3 ． 1 材料屈服强度和硬度要求 屈服强度和硬度是材料抗硫化物应力开裂的重 要性能参数。强度和硬度太高会导致开裂 ， 适 当降 低材料的强度和硬度是确定碳钢和低合金钢抗环境 开裂的重要指标。通过限制强度等级可以避免硫化 物应力开裂。因为硬度与强度有关， 硬度能用非破 坏性的和较简便的方法确定 ， 因此硬度在酸性环境 材料的选择和质量控制的规范中广泛使用 。 图 3 [ 5 3 表示随着强度增加 ， 硫化氢环境材料临 界应力强度因子 K 降低。由图 3中数据看出屈服 强度大于 1 0 0 k s i 6 8 9 ． 5 MP a 后 ， 硫化氢环境材料 临界应 力强 度 因子 变得 小 于 3 3 MP aI n 注 I S O 1 1 9 6 0要求 C 9 0和 I 9 5油套管抗硫化氢环 境断裂韧性不低于 3 3 M P a 1T I _ 6 。鉴于屈服强 度对环境开裂影 响较大， 因此适合硫化氢环境使用 的材料除满足最小屈服强度要求外 ， 还限制最大屈 服强度值与最小屈服强度 的差 值不得超过 1 5 k s i 1 0 3 MP a 。 屈服强度／ k s i f l k s i 6 ． 8 9 5 MP a 图 3 常用低 合金钢强度影响硫化 氢环境材 料临界 应力 强度因子 3 ． 2 材料的失效评估 对 C l l 0和 q 9 5两种套管进行评估设计。 若按常规 强度理论 ， 在相 同载荷 条件下 c I 1 0 的强度储备 明显大于 I 9 5 ， 而对于两种套管的抗断 裂能力 ， 由材料的断裂力学 判据求得。如图 4可 知 1 1 0 k s i 7 5 8 MP a 级别的硫化氢环境下的断裂韧 性 K 在 2 7 MP a m 左右 ， 9 5 k s i 6 5 5 MP a 级别 的 在 3 8 MP a m 。 左右 ， 结合表 1可得两种套 管允许 的裂纹深度， 如图4所示。 5 0 ． 0 0 0 裂纹缺陷比例 图 4 I 9 5和 c 1 1 O两种钢级允许的裂纹深度 从图 4看出 c 1 l 0允许的裂纹深度为 0 ． 9 7 m m， I 9 5允许的裂纹深度为 2 ． 0 2 m m。从 图 3～4中可 知强度愈低含裂纹套管允许的裂纹深度为愈深， c 1 1 0断裂应力比T 9 5 要低， 若选 c l l 0作为套管， 发 生硫化氢环境断裂的风险更大 。 失效评估图 F A D 技术 目前 国际上 已普遍采 用 。运用 F A D技术评价含有缺陷管道剩余强度是 对含有缺陷管道能否适合于继续使用的定量评价 ， 在 国际上被称 之为适用性 F i t n e s s F o r S e r v i c e 评 价。其 目的是在缺陷定量检测基础上 ， 通过严格的 理论分析与计算 ， 确定管道安全承压能力 ， 从而解决 现役压力下管道能否安全运行和管道能否提压运行 的问题 。这些只是应用在输气管线上 ， 从理论上来 说此种评价方法在油套管上同样可以应用。 在 F A D图 中 图5 K 。 为应力强度 因子 ， 为 图 5 失效评估 示意 图 崩溃 下转第4 3页 謇 。 ∞ ∞ 加 ． 日越骥 5 5 5 4 5 3 5 2 强 0 I I I． B d 、 I ∞ ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷第1 期 李 玮， 等 浅析 G P S在龙 岗净化厂控制测量 中的应用 4 3 通过 国内部分工程项 目 G P S拟合 高程精 度统 计的结果 ， G B 5 0 0 2 62 0 0 7 { 工程测量规 范 中 ， 已规定将 G P S拟合高程测 量适用 于平原或丘 陵地 区的五等及以下等级高程测量 。从表 2可以看 出 ， G P S拟合高程已能满足工程测量中对高程精度的要 求 。 4 问题 的探讨 笔者在进行首级控制测量成果解算时， 发现可 利用的蔡家坟 、 仲山包两个较近 的国家三角点兼容 性不好 ， 经 检验 ， 平 面位置 差异较 小 ， 高差 较差 为 0 ． 6 I l l。它们是否相互不兼容 为了解决这一问题 ， 我们分析了 1 1 0 0 0 0地形 图的信息 ， 又收集了第三个国家点董家梁点， 加 入联测 。最后通过多方 比较发现 ， 蔡家坟点 的精度 相对较高 ， 可利用为约束平差 的平面和高程起算点 ， 而仲山包点 高程兼容性较差 ， 仅作 为网平差 的坐标 约束点， 高程检查点 。 5 结束语 龙 岗净化厂是龙 岗气 田的重要组成部分 ， 龙岗 净化厂测区的 G P S控制测量尤为重 要， 在满足基本 布网原则 的基础上， 我们更应注重总结和分析 G P S 网的内符合和外符合精度 ， 在发现起算点不兼容的 情况时 ， 应采取适 当的措 施 ， 以保证 G P S控制 网的 准确性和可靠性 。 参考文献 [ 1 ] 徐绍铨， 张华海．G P S测量原理及应用[ M] ． 武汉 武 汉大学 出版社 ， 1 9 9 8 ， 1 0 1 1 0 3 ． [ 2 ] G B ／ T 1 8 3 1 42 0 0 1 ， 全球定位系统 G P S 测量规范 [ S ] ． [ 3 ] G B 5 0 0 2 6 2 0 0 7 ， 工程测 量规范[ S ] ． 上接 第 1 6页 材料的断裂韧性 ； Or 为材料 的流变应 力 ； o r 为结构 承受的应力 。对在硫化氢环境 中的失效评估 图， 材 料 的断裂韧性即为硫化氢环境断裂韧性 。 对含裂纹油套管进行评价时 ， 若评估点 L ， ， K r 落在评估曲线内， 则认为是安全的， 否则认为缺陷不 能接受。在硫化氢环境 中对于 c1 1 0和 q 9 5两种套 管失效评估 中， 在同样载荷和缺陷条件下 ， 在环境断 裂的角度考虑 T 9 5安全范围较大 ， 塑性失效 的范 围 C 1 1 0的安全区域较大。 综合 以上分析， 在满足强度设计 的要求条件下 ， 在硫化氢环境下工作 的油套管选用 q 9 5更为安全 。 4 结论 a ． 在高含硫化氢的油气井用油套管的设计方法 上 ， 考虑断裂力学的基础上进行适用性评价 ， 给出了 q 9 5和 C 1 1 0两种套管用钢含裂纹缺 陷情况下 的断 裂力学设计新方法 。 b ． 在酸l 生油气 田油套管选材上 ， 新的设计方法 提供 了重要参考价值。 参考文献 [ 1 ] N A C E T M0 1 7 72 0 0 5 ，L a b o r a t o r y T e s t i n g o f M e t a l s f o r Re s i s t a n c e t o S u l fi d e S t r e s s C r a c k i n g a n d S t r e s s C o r r o s i o n C r a c k i n g i n H 2 S E n v i r o n m e n t s[ S ] ． [ 2 ] 庄茁． 断裂动力学有限元程 序 的开 发及在 天然气 管 道裂纹 扩展问题上的应用 [ J ] ． 工程力学， 1 9 9 9 ， 1 6 1 1 0 5 1 1 3 ． [ 3 ] I S O 1 0 4 0 02 0 0 7 ， P e t r o l e u m a n d N a t u r a l G a s I n d u s t r i e s F o r mu l a a n d C a l c u l a t i o n for C a s i n g ， T u b i n g， D r i l l P i p e a n d L i n e P i p e P r o p e r t i e s[ S ] ． [ 4] 中 国航空研究院． 应力强 度 因子 手册 [ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ] K e r m a n i M B， K e y T e c h ， U K ． Ma t e r i a l s O p t i m i z a t i o n i n Hyd r o c ar bo n Pr o d uc t i o n， NACE An n ua l Co r r o s i o n Co n f e r e n e e [ A] ． H o u s t o n T x P a p e r 0 5 1 1 l ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] I S O 1 1 9 6 02 0 0 4 ， P e t r o l e u m a n d N a t u r a l G a s I n d u s t r i e s S t e e l P i p e s f o r U s e A s C a s i n g o r T u b i n g fo r We l l s [ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m