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        某生產(chǎn)井旁通管斷裂失效分析

        2020-07-03 03:02:42磊*陽(yáng)
        化工裝備技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:管管旁通源區(qū)

        劉 磊* 楊 陽(yáng) 羅 懿

        (1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司)

        某生產(chǎn)井于2011 年9 月投產(chǎn),初期最高日產(chǎn)液331 桶,日產(chǎn)油量264 桶,含水率為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),井底流壓為3 826 kPa,日產(chǎn)液量逐漸降低,日產(chǎn)油量也逐漸降低至70 桶。2012 年8 月11日,井下機(jī)組故障導(dǎo)致停泵;2012 年9 月2 日泵檢修后繼續(xù)生產(chǎn)。2018 年1 月27 日,電流扭矩突然降低,電流由24 A 降至17 A,地面無(wú)返出。該井甩電泵機(jī)組及旁通管下級(jí)過(guò)程中,旁通管下端受力后瞬間斷開(kāi),斷裂失效位置分別為1#旁通管上部連接處、1#旁通管與2#旁通管連接處,旁通管連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采用宏觀分析、理化性能檢測(cè)、微觀分析等手段,分析了旁通管斷裂失效的主要原因。

        圖1 旁通管連接結(jié)構(gòu)圖

        1 試驗(yàn)儀器

        使用GE DM5E 超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行壁厚測(cè)量,使用Observer A1m 金相倒置顯微鏡進(jìn)行金相組織進(jìn)行觀察,使用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀對(duì)管材的化學(xué)成分進(jìn)行分析,使用Z600 雙立柱萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和R574 洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)管材的力學(xué)性能進(jìn)行分析,使用Zeiss EVO 18 掃描電鏡對(duì)管道斷口的形貌進(jìn)行分析。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 斷口形貌分析

        圖2 為1#旁通管的斷口形貌。由圖2 可知,管道斷裂位置在螺紋根部第1~2 牙處,該旁通管斷口具有疲勞斷裂的特征,整個(gè)斷口可分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)分布在斷口的一側(cè),沿管道周向分布但不在同一平面上,擴(kuò)展形成許多徑向臺(tái)階,其長(zhǎng)度約為5 mm,占旁通管周長(zhǎng)的比例較小,且疲勞源內(nèi)外壁位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑,斷口處具有明顯的金屬光澤。裂紋擴(kuò)展區(qū)所占旁通管周長(zhǎng)比例最大,其向瞬斷區(qū)過(guò)渡的部分未見(jiàn)明顯的徑向臺(tái)階,沿螺紋第1 牙向第2 牙擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展處靠近旁通管外壁,并在旁通管的瞬斷區(qū)留有剪切唇。瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)相鄰,剪切狀斷口與軸向呈45°,裂紋由裂紋源處沿一側(cè)管壁快速擴(kuò)展,最終使旁通管斷裂。

        由圖3 可知,斷裂位置在螺紋尾部第1~2 牙處,由于該部分?jǐn)嗫谄茡p較嚴(yán)重,故只針對(duì)另一部分?jǐn)嗫冢?#旁通管母扣內(nèi)斷裂殘留部分)進(jìn)行分析,該旁通管斷口同樣具有疲勞斷裂的特征,整個(gè)斷口可分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。

        圖3 1#旁通管公扣斷口形貌

        疲勞源區(qū)分布比較集中,且疲勞源內(nèi)外壁位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑,斷口處具有明顯的金屬光澤。裂紋擴(kuò)展區(qū)所占旁通管周長(zhǎng)比例最大,其向瞬斷區(qū)過(guò)渡的部分未見(jiàn)明顯的徑向臺(tái)階,但可見(jiàn)裂紋快速擴(kuò)展形成的人字形裂紋沿螺紋第1 牙向第2 牙擴(kuò)展,并在旁通管的瞬斷區(qū)留有剪切唇。瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)相鄰,裂紋由裂紋源處沿一側(cè)管壁快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致旁通管斷裂。

        2.2 螺紋尺寸測(cè)量

        通過(guò)尺寸測(cè)量可知,1#旁通管管端加工區(qū)域總長(zhǎng)度為50.05 mm,中間螺紋區(qū)域共有8 牙,牙間距約為3 mm,管端部預(yù)留9.18 mm 無(wú)螺紋區(qū)域,螺紋根部也預(yù)留了約4~6 mm。2#旁通管端加工區(qū)域總長(zhǎng)度為50.12 mm,中間螺紋區(qū)域共有8 牙,牙間距約為3 mm,管端部預(yù)留無(wú)螺紋距離約為9.12 mm,螺紋根部也預(yù)留了約4~6 mm。

        根據(jù)公扣、母扣的測(cè)量數(shù)據(jù)可知,兩者呈無(wú)間隔連接,但由于公扣、母扣端部均有大于9 mm 的預(yù)留區(qū)域,而對(duì)應(yīng)位置的母扣、公扣螺紋根部預(yù)留長(zhǎng)度卻只有4~6 mm,故該部分螺紋不能嚙合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證完整公母扣之間的嚙合情況,對(duì)其進(jìn)行了模擬連接,如圖4 中箭頭所示,第1~2 牙是旁通管公扣、母扣螺紋尾部第一個(gè)嚙合的螺紋牙,與公扣、母扣的斷裂位置吻合。

        圖4 旁通管螺紋公母扣連接情況

        2.3 管體壁厚檢測(cè)

        對(duì)1#和2#旁通管外壁及內(nèi)壁附著物進(jìn)行清洗,然后選取有代表性的不同位置進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量方向分別選取3 點(diǎn),6 點(diǎn),9 點(diǎn)及12 點(diǎn)。

        剩余壁厚測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)表1。由剩余壁厚值可以看出,旁通管的周向剩余壁厚(包括公扣、母扣的螺紋位置)相差較小,說(shuō)明該旁通管在服役過(guò)程中未發(fā)生明顯的局部腐蝕,整體呈現(xiàn)均勻減薄。

        表1 剩余壁厚超聲波測(cè)量值 mm

        2.4 金相分析

        分別從1#,2#旁通管管體上取樣,按照API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行材料理化性能檢測(cè)。圖5 和圖6 分別為1#和2#旁通管管體的金相顯微組織。檢測(cè)結(jié)果表明,2 個(gè)樣本的顯微組織均為回火索氏體,內(nèi)壁有脫碳現(xiàn)象[1],晶粒度均為9.5 級(jí)。

        圖7 為1#旁通管公扣和母扣的螺紋位置的金相顯微組織。由圖7 可知,螺紋組織與管體組織基本相同,無(wú)明顯差異。

        圖5 1#旁通管管體顯微組織

        圖6 2#旁通管管體顯微組織

        圖7 1#旁通管公扣和母扣里微組織

        2.5 化學(xué)成分分析

        1#及2#旁通管管體試樣的化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)表2。結(jié)果表明,2 個(gè)旁通管的化學(xué)分成符合訂貨技術(shù)要求。

        表2 1#及2#旁通管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        2.6 力學(xué)性能分析

        2.6.1 拉伸性能

        1#,2#旁通管管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)表3,取樣位置為圖8 中L90 處。結(jié)果表明,2 個(gè)旁通管拉伸性能符合訂貨技術(shù)要求。

        表3 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

        圖8 拉伸試驗(yàn)取樣位置

        2.6.2 洛氏硬度

        1#及2#旁通管管體試樣硬度試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)表5,旁通管洛氏硬底試驗(yàn)壓痕位置可見(jiàn)圖9。結(jié)果表明,2 個(gè)旁通管硬度符合訂貨技術(shù)要求。

        表5 1#及2#旁通管管體洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果(HRC)

        圖9 旁通管管體洛氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意圖

        2.7 微觀分析

        分別取1#,2#旁通管公扣、母扣的斷口進(jìn)行清洗、烘干,并進(jìn)行微觀形貌分析, 4 個(gè)樣品分別記為A,B,C,D,如圖10 所示。

        圖10 微觀形貌分析樣品

        1#旁通管母扣斷口(樣品B)的微觀典型形貌如圖11 所示。裂紋源區(qū)表面凹凸不平,韌性斷口呈貝殼狀,而且斷裂位置的螺紋根部存在裂紋,平行于螺紋延伸方向。

        圖11 1#旁通管母扣裂紋源區(qū)微觀形貌

        裂紋源區(qū)首先失效,然后裂紋經(jīng)過(guò)擴(kuò)展區(qū),如圖12 所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌較為平整,擴(kuò)展方向與螺紋延伸方向平行。從圖12 中可以看出,擴(kuò)展區(qū)存在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中留下的類似于流水的跡象,且部分?jǐn)嗔盐恢玫穆菁y根部也存在裂紋。

        圖12 1#旁通管母扣擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

        裂紋沿螺紋延伸方向從根部第1 牙擴(kuò)展到第2牙,再次回到裂紋源區(qū)附近,導(dǎo)致管道不堪受力而發(fā)生瞬斷。圖13 為1#旁通管母扣瞬斷區(qū)的斷口形貌,脆性斷口約45°傾斜,斷口從根部第2 牙延伸到根部第1 牙裂紋源區(qū),至此,油管周向全部斷裂。

        圖13 1#旁通管母扣瞬斷區(qū)微觀形貌

        分別對(duì)2#旁通管的公扣、母扣(樣品C,D)螺紋牙進(jìn)行檢驗(yàn)排查,未發(fā)現(xiàn)螺紋牙根部存在裂紋,具體可見(jiàn)圖14~圖15。

        圖14 2#旁通管公扣微觀形貌

        圖15 2#旁通管母扣微觀形貌

        3 斷裂原因分析

        由旁通管連接結(jié)構(gòu)可知,1#旁通管與泵機(jī)組距離最近,在機(jī)組工作過(guò)程中受到較大的震動(dòng)作用。且對(duì)于旁通管來(lái)說(shuō),油管螺紋部位截面較小,承受著比油管管體更大的應(yīng)力。從幾何形狀上來(lái)看,螺紋根部為“缺口”,部位應(yīng)力較為集中。同時(shí)鉆井生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的井斜會(huì)使油管及其螺紋段承受彎曲應(yīng)力,故1#旁通管螺紋位置較易發(fā)生疲勞失效。此外,脫碳層會(huì)導(dǎo)致螺栓表面材料弱化,大幅降低其疲勞強(qiáng)度。因此1#旁通管材料表層脫碳也是導(dǎo)致斷裂的原因之一。

        另外,根據(jù)螺紋連接現(xiàn)狀可知,旁通管螺紋連接部位并未完全嚙合,而處于一種懸臂梁狀態(tài),使得靠近油管螺紋尾部的第1,2 牙處應(yīng)力值最高,故疲勞斷裂的裂紋源較大概率發(fā)生在1#旁通管的公扣與母扣旋合的第1,2 牙的齒根處。

        旁通管下放遇阻時(shí),受到瞬間強(qiáng)應(yīng)力作用,裂紋從旁通管的裂紋源開(kāi)始擴(kuò)展,旁通管管壁(裂紋源區(qū)處)局部先開(kāi)裂,然后裂紋在持續(xù)應(yīng)力的作用下從裂紋源區(qū)沿管壁一側(cè)螺紋延伸方向快速擴(kuò)展,周向到達(dá)裂紋源附近,最后使油管完全斷開(kāi)。

        4 結(jié)論

        對(duì)生產(chǎn)井旁通管進(jìn)行分析后得到以下結(jié)論:

        (1)旁通管材質(zhì)符合L80 鋼的技術(shù)要求;

        (2) 1#旁通管的公扣與母扣旋合的第1,2 牙的齒根處在服役過(guò)程中產(chǎn)生了疲勞裂紋源;

        (3)旁通管下放遇阻時(shí),其受到瞬間強(qiáng)應(yīng)力作用,裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,最終使油管完全斷開(kāi)。

        針對(duì)旁通管斷裂原因,提出了以下建議:

        (1)改變旁通管和電潛泵的連接方式,或降低電潛泵的運(yùn)行頻率,以減輕震動(dòng);

        (2)在機(jī)組檢修更換過(guò)程中,應(yīng)對(duì)油管螺紋進(jìn)行檢測(cè);

        (3)旁通管起井下井時(shí),應(yīng)避免使管體受到強(qiáng)應(yīng)力作用而造成損傷。

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