段志祥石 坤李邦憲陳祖志劉東學(xué)馬 源(.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 0009)(.大連理工大學(xué) 大連 604)

儲(chǔ)氣井疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)研究

段志祥1石 坤1李邦憲1陳祖志1劉東學(xué)2馬 源2
(1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)
(2.大連理工大學(xué) 大連 116024)

參照氣瓶的試驗(yàn)方法，對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行了模擬試件的疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：1)螺紋質(zhì)量和螺紋連接部位的扭矩對(duì)儲(chǔ)氣井密封性能及抗疲勞性能具有較大的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)此提出相應(yīng)要求；2)儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)在極限壓力下均在螺紋部位首先失效，失效有螺紋拉脫和螺紋處泄漏兩種形式；3)井管與接箍、井管與井口裝置、接箍與井底裝置的螺紋連接部位是儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及在役檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

儲(chǔ)氣井 疲勞試驗(yàn) 爆破試驗(yàn) 失效模式 泄漏 拉脫

1 前言

儲(chǔ)氣井是一種新型特殊的儲(chǔ)存容器，目前在汽車加氣站及民用調(diào)峰站中大量應(yīng)用，主要用于儲(chǔ)存壓縮天然氣[1]。儲(chǔ)氣井埋深一般50～260m，井管根數(shù)為5～25根，各井管通過接箍依次串聯(lián)起來。儲(chǔ)氣井井管與接箍之間、井管與井口裝置之間以及井管與井底裝置之間都采用符合API SPEC 5B[2]要求的圓螺紋連接。

由于螺紋連接存在應(yīng)力集中傾向[4，6-10]，在承受交變載荷的承壓設(shè)備中是否適用，沒有相關(guān)的試驗(yàn)研究證實(shí)。本文對(duì)典型結(jié)構(gòu)型式的儲(chǔ)氣井進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和爆破（極限承壓）試驗(yàn)，一方面研究相應(yīng)結(jié)構(gòu)的合理性，另一方面探索儲(chǔ)氣井的薄弱環(huán)節(jié)及失效模式。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)工作在大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院完成。疲勞試驗(yàn)設(shè)備符合GB/T 9252-2001《氣瓶疲勞試驗(yàn)方法》[3]要求，試驗(yàn)設(shè)備的壓力循環(huán)上限50MPa，工作溫度低溫-90℃，高溫80℃。爆破試驗(yàn)裝置的極限壓力500MPa。

表1 試件參數(shù)表

2.2 試件結(jié)構(gòu)

為模擬實(shí)際儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)（偏保守考慮忽略地層的加強(qiáng)作用），試件由井口裝置、井管（2根，每根約為1.5m）、接箍和井底裝置組成，總長約4m。儲(chǔ)氣井模擬試件的結(jié)構(gòu)如圖1～圖4所示，試件參數(shù)見表1。其中D-1和D-2為2008年及之前的主流結(jié)構(gòu)，因井口難以實(shí)現(xiàn)重復(fù)拆卸，不利于開啟檢測(cè)，當(dāng)前使用較少。其余為當(dāng)前常用結(jié)構(gòu)。

圖1 試件A-1、A-2結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 試件B-1、B-2結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 試件C-1、C-2結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 試件D-1、D-2結(jié)構(gòu)示意圖

筆者對(duì)試件A-1～B-2的井管材料力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 試件A-1～B-2的井管材料力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

儲(chǔ)氣井試件疲勞試驗(yàn)參照GB 9252-2001氣瓶疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)見表3。試驗(yàn)介質(zhì)為機(jī)油，精度等級(jí)為0.4，試驗(yàn)過程中控制介質(zhì)溫度＜45℃，控制井管壁溫度＜36℃。試件A-1和A-2在環(huán)境溫度28℃左右完成試驗(yàn)，試件B-1和B-2在環(huán)境溫度18℃左右完成試驗(yàn)。試件C-1在環(huán)境溫度16～24℃下完成試驗(yàn)，試件C-2、D-1和D-2在環(huán)境溫度5～20℃下完成試驗(yàn)。

表3 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試件A-1～B-2、C-2～D-2經(jīng)過了30000次壓力循環(huán)。試驗(yàn)過程中螺紋連接處均未發(fā)生滲漏，也沒有異常的響聲。試驗(yàn)后，對(duì)試樣全表面進(jìn)行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)變形和裂紋。因此，可以判定這7組試件的儲(chǔ)氣井均通過了循環(huán)次數(shù)為30000次（設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)為25000）的疲勞試驗(yàn)。

對(duì)于試件C-1，2012年8月20日開始?jí)毫ρh(huán)試驗(yàn)，8月21日3時(shí)，儲(chǔ)氣井底裝置與接箍連接螺紋處開始泄漏。后更換與井底裝置相連接箍，于9月6日繼續(xù)進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)，9月14日總計(jì)完成50012次壓力循環(huán)，未發(fā)生疲勞失效。

4 爆破試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

爆破試驗(yàn)在疲勞試驗(yàn)之后進(jìn)行。將試件內(nèi)充滿水后置于爆破倉內(nèi)，再與加壓系統(tǒng)管線連接。加壓前將試件內(nèi)和管線中的氣體排凈。試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度見表4。試驗(yàn)過程中，連續(xù)緩慢加壓直至試件失效（預(yù)期破壞形式為爆破或泄漏）為止，對(duì)試驗(yàn)過程中的壓力值進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)。

表4 試驗(yàn)溫度

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)過程中觀測(cè)壓力值隨時(shí)間的變化作圖，試件A-1的壓力-時(shí)間曲線如圖5所示。爆破試驗(yàn)結(jié)果見表5。圖6為試件B-2爆破試驗(yàn)后的現(xiàn)場圖片，圖7為試件C-1爆破試驗(yàn)后的現(xiàn)場圖片。

圖5 試件A-1壓力試驗(yàn)過程中壓力-時(shí)間曲線

5 分析討論

試件D-1由于底封頭與接箍螺紋連接扭矩施加不到位，導(dǎo)致在67MPa下即開始泄漏。除D-1外，其它試件極限承載壓力均達(dá)到或超過了3倍工作壓力即75MPa，說明本文試驗(yàn)的儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)的承載能力良好，出現(xiàn)短時(shí)間小范圍超壓不會(huì)對(duì)儲(chǔ)氣井造成影響。

表5 爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖6 試件B-2泄漏失效部位

圖7 試件C-1爆破試驗(yàn)后現(xiàn)場圖片

試件A-1～B-2、C-2～D-2共7種型式均通過了循環(huán)次數(shù)為30000次的內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的裕度。試件C-1在壓力循環(huán)過程中出現(xiàn)了螺紋處泄漏現(xiàn)象，但經(jīng)過更換接箍后，結(jié)構(gòu)承受了50012次壓力循環(huán)。分析得出接箍螺紋加工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)密封性和抗疲勞性能有較大的影響，各螺紋連接部位的安裝、擰緊也比較重要。螺紋質(zhì)量不佳或安裝不符合要求，儲(chǔ)氣井在正常使用過程中容易發(fā)生泄漏或螺紋聯(lián)接處脫落等嚴(yán)重問題。

試件A-1～B-2、C-2～D-2在極限承壓試驗(yàn)過程中，均在管體發(fā)生失效之前，螺紋連接部位先發(fā)生變形并引起泄露，表明螺紋連接部位的應(yīng)力較高[4，6-10]，承載能力低于管體。

試件C-1在極限承壓試驗(yàn)過程中，井口接箍與套管處螺紋拉脫失效。拉脫原因之一，是該結(jié)構(gòu)由于井口接箍壁厚較大，導(dǎo)致對(duì)套管產(chǎn)生較大的約束，在內(nèi)壓較大時(shí)螺紋承受的應(yīng)力增大，使結(jié)構(gòu)在該處容易發(fā)生拉脫失效。但由于極限壓力已經(jīng)達(dá)到87MPa，遠(yuǎn)大于正常工作壓力25MPa，且疲勞試驗(yàn)通過3萬次循環(huán)，該井口結(jié)構(gòu)符合使用要求。并且該種結(jié)構(gòu)用材少，安裝簡單，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

試件A-1～B-2、C-2～D-2儲(chǔ)氣井在極限壓力試驗(yàn)中表現(xiàn)出“漏而不破”特性。若僅從疲勞性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面評(píng)價(jià)，2008年以前的結(jié)構(gòu)D-1和D-2也滿足使用要求。

6 結(jié)論

對(duì)目前加氣站使用的主要儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)以及2008年前的常見結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，對(duì)儲(chǔ)氣井的結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行了探討，并對(duì)儲(chǔ)氣井的薄弱環(huán)節(jié)和失效形式進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1）螺紋質(zhì)量和螺紋連接部位的扭矩（擰緊力）對(duì)儲(chǔ)氣井密封性能及抗疲勞性能具有較大的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)此提出相應(yīng)要求。

2）儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)在極限壓力下螺紋部位首先失效，失效形式有螺紋拉脫和螺紋塑性變形兩種，且導(dǎo)致泄漏。

3）井管與接箍、井管與井口裝置、接箍與井底裝置的螺紋連接部位是儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及在役檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

4）由于螺紋是儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)螺紋連接進(jìn)行分析計(jì)算。

1 李邦憲，陳祖志，石坤，等. 儲(chǔ)氣井監(jiān)督檢驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

2 API SPEC 5B, Specification for Threading, Gauging and Thread Inspection of Casing, Tube, and Line Pipe Threads[S]. 3 GB9252-2001氣瓶疲勞試驗(yàn)方法[S].

4 劉培啟，石坤，段志祥，等. 上扣扭矩對(duì)儲(chǔ)氣井疲勞壽命的影響[J]. 壓力容器，2013，30（4）：14～17,28.

5 API SPEC 5CT，Petroleum and natural gas industries —Steel pipes for use as casing or tubing for wells[S].

6 陳祖志,石坤,李邦憲.儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)問題的探討[J].壓力容器，2012，29（2):49～55,60.

7 王杰，周永麗，焦鋒，等．油井鋼管圓螺紋接頭機(jī)緊狀態(tài)下的力學(xué)分析［J].石油礦場機(jī)械，2010，39(12)：7～10.

8 雷宏剛,裴艷,劉麗君.高強(qiáng)度螺栓疲勞缺口系數(shù)的有限元分析[J].工程力學(xué)，2008，25( 增刊) : 49～53.

9 王俐，張汝忻，鄒家祥，等.API 圓螺紋套管接頭應(yīng)力場分布實(shí)驗(yàn)［J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22( 6) :555～558.

10 趙啟成,王振清,杜永軍,等．油管螺紋應(yīng)力應(yīng)變場的有限元分析與檢測(cè)［J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2005，26( 3) :253～258.

11 段志祥. 在用儲(chǔ)氣井腐蝕減薄安全評(píng)價(jià)方法[J].中國特種設(shè)備安全,2012,28(6):10～12

Cycling and Explosion Tests on Gas Storage Wells

Duan Zhixiang1Shi Kun1Li Bangxian1Chen Zuzhi1Liu Dongxue2Ma Yuan2
(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2.Dalian University of Technology Dalian 116024 )

Using the type test method of cylinder, the cycling tests and the explosion tests are carried out on the simplifi ed gas storage wells. It can be concluded from the tests that: 1) the quality of the threads and the connecting torque of the threads are the key factor infl uencing the sealing performance and fatigue property of gas storage wells, the technical requirement of which should be described in the design documents. 2) Under the limited pressure, the threads failure fi rst. The failure mode is pulling-out or leakage. 3) The positions such as connection of well pipe to coupling, connection of well pipe to well head equipment, connection of coupling to well bottom equipment, are the weak parts of the gas storage well. More attention should be paid on these parts in time of designing and in service inspection.

Gas storage well Cycling test Explosion test Failure mode Leakage Pulling-out

X933.4；TE256

B

1673－257X(2014)10－15－04

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.004

段志祥(1980～)，高級(jí)工程師，博士，主要從事承壓特種設(shè)備安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)方向的研究工作。

2014-03-19）