張義磊* 馬燕銘 朱 波

（1. 泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 2. 山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年年底時(shí)全國(guó)各地制造的儲(chǔ)氣井?dāng)?shù)量已經(jīng)超過(guò)8 000臺(tái)。高壓氣地下儲(chǔ)氣井是用于儲(chǔ)存壓縮天然氣的裝置，也是一種新型的第三類壓力容器，該裝置可以有效解決加氣站、城市燃?xì)獾恼{(diào)峰和工業(yè)儲(chǔ)氣等問(wèn)題，具有占地面積小、建設(shè)成本低、安全性好、失效范圍小、使用壽命長(zhǎng)、管理方便、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

高壓氣地下儲(chǔ)氣井主要深埋在地下50～500 m ，容積為1～40 m3[2]，與容易受到自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境影響的地面儲(chǔ)氣瓶組相比，有著較好的安全性。儲(chǔ)氣井一般為單腔、立式結(jié)構(gòu)，本文以甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司設(shè)計(jì)的容器圖號(hào)為L(zhǎng)PECQJ9-10/25-00的儲(chǔ)氣井為例，該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 腐蝕原因分析

隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，地下儲(chǔ)氣井使用中受到地層和存儲(chǔ)氣質(zhì)等影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)腐蝕、裂紋等缺陷，從而導(dǎo)致天然氣泄漏，甚至引發(fā)安全事故[3]。一般來(lái)說(shuō)，壓縮天然氣地下儲(chǔ)氣井的腐蝕現(xiàn)象都是由腐蝕性介質(zhì)引起的，包括H2S、溶解氧、CO2、SRB等[4-5]。

1.1 H2S腐蝕

儲(chǔ)氣井井筒所用的鋼質(zhì)材料一般要符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)，由于儲(chǔ)氣井承裝介質(zhì)中存在H2S，容易產(chǎn)生內(nèi)腐蝕。H2S與水形成濕硫化氫，造成腐蝕環(huán)境。多數(shù)人認(rèn)為H2S在水中發(fā)生解離，形和成H+和S2-：

H2S→H++HS

HS-→H++S2-

鋼在H2S水溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極反應(yīng)為：

Fe→Fe2++2e-

Fe2++S2-→FeS

陰極反應(yīng)為：

2H++2e-→H2

陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼組織內(nèi)部，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處（如夾雜物、裂隙）和晶界處聚集并結(jié)合生成氫分子，隨著氫分子數(shù)量不斷增加，超過(guò)臨界值就會(huì)引發(fā)材料局部變形，導(dǎo)致鼓泡，相鄰鼓包連接形成裂紋，最終在內(nèi)應(yīng)力作用下沿厚度方向產(chǎn)生氫致開裂。

1.2 有機(jī)殘留物

有機(jī)殘留物會(huì)引起儲(chǔ)氣井外部腐蝕。有機(jī)殘留物的主要成分通常為硫酸鹽還原菌，其為一種厭氧型微生物，對(duì)鋼質(zhì)材料有腐蝕性，廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油氣井等缺氧環(huán)境[6]。硫酸鹽還原菌中存在大量的氫化酶，在無(wú)氧或缺氧情況下，可以利用金屬外表面的有機(jī)物作為碳源，還與細(xì)菌生物膜內(nèi)自身產(chǎn)生的氫發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將硫酸鹽還原成遇硫化氫。這種代謝過(guò)程也可以利用腐蝕原電池產(chǎn)生的氫，使腐蝕原電池的陰極去極化，導(dǎo)致腐蝕過(guò)程加速[7]。

1.3 碳?xì)浠衔?/h3>

碳?xì)浠衔飳?duì)地下儲(chǔ)氣井有一定的腐蝕作用。腐蝕的主要機(jī)理是，碳?xì)浠衔镏饕荂O2遇到地層中的水反應(yīng)生成碳酸，碳酸進(jìn)一步電離產(chǎn)生H+：

進(jìn)而產(chǎn)生氫去極化腐蝕，陽(yáng)極反應(yīng)為：

Fe→Fe2++2e-

陰極反應(yīng)為：

2H++2e-→H2

經(jīng)過(guò)腐蝕反應(yīng)之后，儲(chǔ)氣井表面形成碳酸鹽，又會(huì)形成自催化作用極強(qiáng)的腐蝕電偶，從而加快儲(chǔ)氣井的腐蝕速率。

1.4 氧腐蝕

儲(chǔ)氣井固井段外表面被水泥環(huán)緊緊包裹，但是，空氣中的分子態(tài)氧溶解于水中，對(duì)儲(chǔ)氣井筒體產(chǎn)生了很強(qiáng)的氧化去極化腐蝕作用，使自身被還原成OH-，而金屬被氧化成金屬陽(yáng)離子。其腐蝕反應(yīng)過(guò)程的陽(yáng)極反應(yīng)為：

Fe→Fe2++2e-

陰極反應(yīng)為：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

OH-離子和Fe2+離子生成后，會(huì)各自向陽(yáng)極與陰極擴(kuò)散，結(jié)合生成鐵的氫氧化物，從而形成氧化腐蝕電池，從而加劇腐蝕，如圖2所示。一般來(lái)講，腐蝕速率與溶解氧的濃度相關(guān)。

圖2 氧腐蝕原理圖

1.5 大氣腐蝕

暴露在大氣環(huán)境中的儲(chǔ)氣井體主要產(chǎn)生大氣腐蝕，在化工場(chǎng)所、臨海區(qū)域和鹽堿地帶尤為突出，這是由于大氣中的氧、鹽粒子、二氧化碳、硫化物、氯化物等含量豐富，這些成分會(huì)形成導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。鋼制材料在電解質(zhì)溶液中形成原電池，在腐蝕介質(zhì)的作用下，會(huì)加速電位較低的碳鋼的腐蝕，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)氣井原電池腐蝕原理圖

2 對(duì)力學(xué)性能的影響

儲(chǔ)氣井腐蝕一般先出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)，再逐步擴(kuò)散發(fā)展成腐蝕坑。腐蝕程度不一樣，其形態(tài)也不盡相同。當(dāng)腐蝕較輕時(shí)，其表面會(huì)出現(xiàn)大量的斑跡，對(duì)于斑跡不深的腐蝕，可認(rèn)為是均勻腐蝕。當(dāng)腐蝕程度進(jìn)一步加劇時(shí)，銹斑就會(huì)逐漸加重并最終出現(xiàn)銹坑，且銹坑的大小以及深淺出現(xiàn)差異。

材料的屈服載荷和極限載荷決定了材料的力學(xué)性能，通常與最小剩余截面積有關(guān)，而最小剩余截面積取決于腐蝕的寬度和深度。在腐蝕作用下，坑點(diǎn)周圍容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著腐蝕程度的不斷加劇，受腐蝕部位的應(yīng)力會(huì)明顯增大，因此腐蝕部位更容易受到損傷。

3 儲(chǔ)氣井的強(qiáng)度校核

3.1 強(qiáng)度校核的一般原則

當(dāng)出現(xiàn)腐蝕深度超過(guò)腐蝕裕量、名義厚度不明、結(jié)構(gòu)不合理、或者檢驗(yàn)人員對(duì)強(qiáng)度有懷疑等情況時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。強(qiáng)度校核的有關(guān)原則為：

（1）原設(shè)計(jì)中已經(jīng)明確所用強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，可按照該設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核；

（2）剩余壁厚按照實(shí)測(cè)壁厚的最小值減掉至下次檢驗(yàn)周期的腐蝕量，剩余值作為強(qiáng)度校核的壁厚；

（3）校核用壓力應(yīng)為儲(chǔ)氣井允許使用壓力；

（4） 強(qiáng)度校核時(shí)的井筒壁溫取設(shè)計(jì)溫度或者操作溫度。

3.2 儲(chǔ)氣井基本材料屬性

高壓地下儲(chǔ)氣井井筒的常用材料主要包括N80，N80Q以及P110材質(zhì)，其參數(shù)如表1所示。

表1 常用材料參數(shù)

3.3 壁厚校核選用標(biāo)準(zhǔn)

儲(chǔ)氣井壁厚校核包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核兩部分，所涉及的標(biāo)準(zhǔn)及用途如表2所示。

表2 常用材料參數(shù)

3.4 常規(guī)壁厚強(qiáng)度校核思路

3.4.1 強(qiáng)度校核的基本流程

強(qiáng)度校核基本流程如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)強(qiáng)度校核流程圖

3.4.2 靜強(qiáng)度校核的基本步驟

（1）確定許用應(yīng)力

通過(guò)GB/T 19830—2011《石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管》，查找材料的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb，參照J(rèn)B 4732—1995（2005年確認(rèn)），確定該材料類型儲(chǔ)氣井的許用應(yīng)力σm：

（2）計(jì)算腐蝕速率

式中：υ——腐蝕速率，mm/a；

τ0——上次檢測(cè)最小壁厚值，若為首次檢驗(yàn)，則為公稱壁厚值，mm；

τ1——實(shí)測(cè)的最小壁厚值，mm；

T1——距離上次檢驗(yàn)的時(shí)間間隔，a。

（3）預(yù)計(jì)剩余壁厚

式中：τ2——計(jì)算剩余壁厚值，mm；

T——預(yù)計(jì)的下次檢驗(yàn)周期，a。

（4）計(jì)算靜應(yīng)力值

式中：σ——應(yīng)力值，MPa;

p——最高工作壓力，MPa;

Di——儲(chǔ)氣井內(nèi)徑，mm。

（5）判斷

若σ＜σm，則剩余壁厚強(qiáng)度滿足使用要求。

3.4.3 筒體疲勞強(qiáng)度校核

壓力循環(huán)范圍一般為10 MPa～最大靜應(yīng)力。

在高、低壓工況內(nèi)壓下，計(jì)算筒體應(yīng)力：

式中：pL——低壓工況內(nèi)壓，MPa；

pH——高壓工況內(nèi)壓，MPa；

σL——低壓工況筒體應(yīng)力，MPa；

σH——高壓工況筒體應(yīng)力，MPa。

循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度幅值為：

參照SY/T 6535—2002選取疲勞循環(huán)次數(shù)（使用時(shí)間）進(jìn)行校驗(yàn)，查JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)附錄C中對(duì)應(yīng)的S-N曲線（從保守角度出發(fā)，取標(biāo)準(zhǔn)中的圖C-4及表C-l）。查詢對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度Sa＜［Sa］，若計(jì)算循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度 ，即筒體剩余壁厚的疲勞強(qiáng)度滿足使用要求，反之亦然。

3.4.4 計(jì)算方法的缺點(diǎn)

壁厚的強(qiáng)度校核需要檢驗(yàn)人員定義檢驗(yàn)周期T和最高工作壓力p兩個(gè)參數(shù)，需要檢驗(yàn)人員不斷調(diào)整數(shù)據(jù)并進(jìn)行迭代計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)一次性無(wú)誤計(jì)算，降低了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)效率。同時(shí)，對(duì)于建站多年并未運(yùn)行的儲(chǔ)氣井的壁厚強(qiáng)度校核存在較大的誤差，需要人為設(shè)定修正系數(shù)，降低了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

3.5 新型壁厚強(qiáng)度校核思路

新型壁厚強(qiáng)度校核方法使用閉環(huán)設(shè)計(jì)思路，僅需要檢驗(yàn)人員定義檢驗(yàn)周期T或最高工作壓力p其中一個(gè)參數(shù)，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算公式的條件下，給出了該狀態(tài)下的最大輸出值。當(dāng)檢驗(yàn)員對(duì)結(jié)果存有懷疑時(shí)，可以根據(jù)儲(chǔ)氣井的使用情況和健康狀態(tài)對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正，最終輸出相關(guān)的參數(shù)信息并現(xiàn)場(chǎng)出具報(bào)表。該方法既可以提高計(jì)算效率，同時(shí)又降低了計(jì)算誤差。具體流程如圖5所示。

圖5 新型強(qiáng)度校核方法流程圖

3.5.1 定義最大工作壓力，輸出最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間

（1）滿足條件靜應(yīng)力校核條件

定義最大工作壓力p，計(jì)算靜應(yīng)力為極限值σm，此時(shí)最大剩余壁厚值可通過(guò)下式計(jì)算：

剩余壁厚τ2為：

剩余壁厚τ2也等于：

由此下次檢驗(yàn)周期T為：

（2）滿足循環(huán)應(yīng)力校核條件

定義最大工作壓力p，計(jì)算循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度為極限值Sa，此時(shí)最大剩余壁厚可通過(guò)下式計(jì)算：

剩余壁厚τ2：

剩余壁厚τ2也等于：

由此下次檢驗(yàn)周期T為：

下次檢驗(yàn)周期T應(yīng)選取該2種校核條件下的最小值。

3.5.2 輸入最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，輸出最大工作壓力

（1）滿足條件靜應(yīng)力校核條件

當(dāng)確定最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間T確定，則最大壓力應(yīng)滿足靜應(yīng)力公式：

此時(shí)最大壓力p為：

（2）滿足循環(huán)應(yīng)力校核條件

當(dāng)最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間T確定，則最大壓力應(yīng)滿足循環(huán)應(yīng)力公式：

故應(yīng)力幅值也可以表示為：

整理公式，最大壓力值P為：

最大壓力p應(yīng)選取該兩種校核條件下的最小值。

3.5.3 人為修正數(shù)據(jù)

此時(shí)運(yùn)算與傳統(tǒng)方式基本一致，但是定義檢驗(yàn)周期 和最高工作壓力 值要小于輸入值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)儲(chǔ)氣井的常見形式進(jìn)行了分析，并研究了由于材料腐蝕造成力學(xué)性能下降的原因。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)階段常規(guī)的強(qiáng)度校核方式，提出了“閉環(huán)”的強(qiáng)度校核思路，簡(jiǎn)化了強(qiáng)度計(jì)算流程，提高了計(jì)算效率，為儲(chǔ)氣井強(qiáng)度校核信息化軟件的開發(fā)提供了基礎(chǔ)的算法支撐。