儲氣井疲勞試驗和爆破試驗研究

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

儲氣井疲勞試驗和爆破試驗研究

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)備檢測研究院 北京 100029)
(2.大連理工大學(xué) 大連 116024)

參照氣瓶的試驗方法，對儲氣井進(jìn)行了模擬試件的疲勞試驗和爆破試驗研究，得出結(jié)論：1)螺紋質(zhì)量和螺紋連接部位的扭矩對儲氣井密封性能及抗疲勞性能具有較大的影響，設(shè)計中應(yīng)對此提出相應(yīng)要求；2)儲氣井結(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氣井結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及在役檢驗時應(yīng)重點關(guān)注。

儲氣井 疲勞試驗 爆破試驗 失效模式 泄漏 拉脫

1 前言

儲氣井是一種新型特殊的儲存容器，目前在汽車加氣站及民用調(diào)峰站中大量應(yīng)用，主要用于儲存壓縮天然氣[1]。儲氣井埋深一般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)的試驗研究證實。本文對典型結(jié)構(gòu)型式的儲氣井進(jìn)行疲勞試驗和爆破（極限承壓）試驗，一方面研究相應(yīng)結(jié)構(gòu)的合理性，另一方面探索儲氣井的薄弱環(huán)節(jié)及失效模式。

2 試驗條件

2.1 試驗設(shè)備

試驗工作在大連理工大學(xué)化工機械學(xué)院完成。疲勞試驗設(shè)備符合GB/T 9252-2001《氣瓶疲勞試驗方法》[3]要求，試驗設(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)

為模擬實際儲氣井結(jié)構(gòu)（偏保守考慮忽略地層的加強作用），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)，因井口難以實現(xiàn)重復(fù)拆卸，不利于開啟檢測，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

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

表2 試件A-1～B-2的井管材料力學(xué)性能檢驗結(jié)果

3 疲勞試驗

3.1 試驗過程

儲氣井試件疲勞試驗參照GB 9252-2001氣瓶疲勞試驗方法進(jìn)行，試驗參數(shù)見表3。試驗介質(zhì)為機油，精度等級為0.4，試驗過程中控制介質(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，試件B-1和B-2在環(huán)境溫度18℃左右完成試驗。試件C-1在環(huán)境溫度16～24℃下完成試驗，試件C-2、D-1和D-2在環(huán)境溫度5～20℃下完成試驗。

表3 疲勞試驗參數(shù)

3.2 試驗結(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。試驗后，對試樣全表面進(jìn)行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)變形和裂紋。因此，可以判定這7組試件的儲氣井均通過了循環(huán)次數(shù)為30000次（設(shè)計循環(huán)次數(shù)為25000）的疲勞試驗。

對于試件C-1，2012年8月20日開始壓力循環(huán)試驗，8月21日3時，儲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，9月14日總計完成50012次壓力循環(huán)，未發(fā)生疲勞失效。

4 爆破試驗

4.1 試驗過程

爆破試驗在疲勞試驗之后進(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。試驗時的環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度見表4。試驗過程中，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，對試驗過程中的壓力值進(jìn)行適時監(jiān)測。

表4 試驗溫度

4.2 試驗結(jié)果

對試驗過程中觀測壓力值隨時間的變化作圖，試件A-1的壓力-時間曲線如圖5所示。爆破試驗結(jié)果見表5。圖6為試件B-2爆破試驗后的現(xiàn)場圖片，圖7為試件C-1爆破試驗后的現(xiàn)場圖片。

圖5 試件A-1壓力試驗過程中壓力-時間曲線

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，說明本文試驗的儲氣井結(jié)構(gòu)的承載能力良好，出現(xiàn)短時間小范圍超壓不會對儲氣井造成影響。

表5 爆破試驗結(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，均滿足設(shè)計要求，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)致對套管產(chǎn)生較大的約束，在內(nèi)壓較大時螺紋承受的應(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)濟性強，具有較大的優(yōu)勢。

試件A-1～B-2、C-2～D-2儲氣井在極限壓力試驗中表現(xiàn)出“漏而不破”特性。若僅從疲勞性能和結(jié)構(gòu)強度方面評價，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

對目前加氣站使用的主要儲氣井結(jié)構(gòu)以及2008年前的常見結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗和爆破試驗，對儲氣井的結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行了探討，并對儲氣井的薄弱環(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）對儲氣井密封性能及抗疲勞性能具有較大的影響，設(shè)計中應(yīng)對此提出相應(yīng)要求。

2）儲氣井結(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氣井結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及在役檢驗時應(yīng)重點關(guān)注。

4）由于螺紋是儲氣井結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在儲氣井設(shè)計時應(yīng)對螺紋連接進(jìn)行分析計算。

1 李邦憲，陳祖志，石坤，等. 儲氣井監(jiān)督檢驗[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氣瓶疲勞試驗方法[S].

4 劉培啟，石坤，段志祥，等. 上扣扭矩對儲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.儲氣井設(shè)計問題的探討[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緊狀態(tài)下的力學(xué)分析［J].石油礦場機械，2010，39(12)：7～10.

8 雷宏剛,裴艷,劉麗君.高強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)力場分布實驗［J].北京科技大學(xué)學(xué)報，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［J].計量學(xué)報，2005，26( 3) :253～258.

11 段志祥. 在用儲氣井腐蝕減薄安全評價方法[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～)，高級工程師，博士，主要從事承壓特種設(shè)備安全檢測與評價技術(shù)方向的研究工作。

2014-03-19）