含腐蝕坑油管剩余內(nèi)壓強度研究

史交齊，賈　路，鄧　力，胡繼林，王　磊，呂慶鋼，姬丙寅，王　軍

(1.西南石油大學，成都 610500；2.中石化西北油田分公司 物資供應管理中心，新疆 輪臺 841600；

3.西安三維應力工程技術(shù)有限公司，西安 710075)①

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含腐蝕坑油管剩余內(nèi)壓強度研究

史交齊1，3，賈路2，鄧力2，胡繼林2，王磊2，呂慶鋼2，姬丙寅3，王軍3

(1.西南石油大學，成都 610500；2.中石化西北油田分公司 物資供應管理中心，新疆 輪臺 841600；

3.西安三維應力工程技術(shù)有限公司，西安 710075)①

摘要：油管由于腐蝕會在局部區(qū)域形成腐蝕坑，不僅會降低油管的抗內(nèi)壓性能，嚴重時還會導致油管穿孔，甚至斷裂。在內(nèi)壓爆破試驗機上對舊油管的內(nèi)壓性能進行評價，并利用有限元分析軟件和理論計算模型對油管的內(nèi)壓強度進行計算。結(jié)果表明，對于外表面多點腐蝕，深度最大的腐蝕坑決定了油管的剩余內(nèi)壓強度；內(nèi)壓強度只取決于腐蝕坑體積，與腐蝕坑形狀無關；對于外表面多點腐蝕坑，采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預測剩余內(nèi)壓強度。建議對舊油管的腐蝕坑尺寸進行測量，并采用腐蝕坑均勻排布法預測油管的剩余內(nèi)壓強度，提高油管重復利用可靠性。

關鍵詞：油管；腐蝕；內(nèi)壓強度；有限元分析

在采油工程中，油管出現(xiàn)腐蝕坑后一般仍會反復使用，而腐蝕坑不僅會導致油管在下入彎曲井段過程中出現(xiàn)屈服甚至失效，嚴重時甚至還會導致油管穿孔和斷裂[1-4]。油管腐蝕主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕。實際中，完全的均勻腐蝕是不存在的，在油管腐蝕失效實例中，局部腐蝕占比最大，包括點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕等[5-7]。截至目前，國內(nèi)外針對油管腐蝕損壞開展了大量研究工作，但主要集中在腐蝕防護方面，對于油管腐蝕后的剩余內(nèi)壓強度研究較少[8-13]。開展油管剩余內(nèi)壓強度研究，對提高油管重復利用可靠性具有十分重要的意義。

本文首先對某油田舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進行測量，并在內(nèi)壓爆破試驗機上對舊油管的抗內(nèi)壓爆破性能進行測試，然后利用有限元分析軟件和理論計算模型對油管的內(nèi)壓強度進行模擬計算，研究腐蝕坑對油管抗內(nèi)壓性能的影響，并建立一種有效預測內(nèi)壓強度的理論模型。

1含典型缺陷舊油管內(nèi)壓性能評價

從某油田現(xiàn)場隨機抽取13根舊油管，該批舊油管的規(guī)格為?88.9 mm×6.45 mm，鋼級為P110 。測量舊油管的幾何尺寸及腐蝕坑深度，并在內(nèi)壓爆破試驗機上對舊油管的抗內(nèi)壓性能進行測試，結(jié)果如表1。從表1可以看出，13根舊油管的內(nèi)壓強度均滿足API Bul 5C2[14]標準要求(96.3 MPa)，其中最大腐蝕坑深度占名義壁厚17%的舊油管內(nèi)壓強度最高，為141.2 MPa；最大腐蝕坑深度占名義壁厚57%的舊油管內(nèi)壓強度僅為105.4 MPa，兩者相差44.0%。其余試驗壓力與最大腐蝕坑深度也基本呈反比關系，因此對多點腐蝕來說，深度最大的腐蝕坑決定了舊油管的剩余內(nèi)壓強度。

表1　舊油管幾何尺寸及內(nèi)壓強度

表1(續(xù))

舊油管典型腐蝕形貌如圖1所示。從圖1可以看出，3Z外表面發(fā)生嚴重點腐蝕，腐蝕坑深淺不一，其中最深的腐蝕坑為3.05 mm，占名義壁厚的47%；5Z外表面發(fā)生嚴重點腐蝕，腐蝕坑最深為3.68 mm，占名義壁厚的57%；13Z腐蝕程度較輕，為均勻腐蝕，腐蝕坑最深為0.91 mm，占名義壁厚14%。

a　3Z

b　5Z

c　13Z

2含單一腐蝕坑油管抗內(nèi)壓強度有限元分析

上述油田針對舊油管腐蝕缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，腐蝕坑深度超過規(guī)定壁厚20%的腐蝕坑數(shù)量占統(tǒng)計總數(shù)的39.2%，超過規(guī)定壁厚25%的腐蝕坑數(shù)量占統(tǒng)計數(shù)的15.9%，超過規(guī)定壁厚30%的腐蝕坑數(shù)量僅占統(tǒng)計總數(shù)的3.9%。因此，以腐蝕坑深度占規(guī)定壁厚30%為例，利用有限元軟件分析球形、圓錐形和圓柱形腐蝕坑對舊油管剩余抗內(nèi)壓強度的影響。

2.1有限元模型建立

以?88.9×6.45 mm P110舊油管為例，彈性模量212.7 GPa，泊松比0.3，屈服強度758 MPa，抗拉強度862 MPa，工程應力應變曲線如圖2所示，3種典型腐蝕缺陷的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2　P110油管工程應力應變曲線

a　球形

b　圓錐形

c　圓柱形

2.2有限元分析結(jié)果

舊油管內(nèi)壓試驗表明，引起舊油管內(nèi)壓失效的主要形式為腐蝕坑泄漏，因此以腐蝕坑全部屈服作為內(nèi)壓失效的判據(jù)。以球形腐蝕坑為例，腐蝕坑深度3.68 mm，腐蝕坑直徑11.54 mm，建立含球形腐蝕坑油管模型。向油管內(nèi)壁施加均勻壓力，隨著內(nèi)壓的增大，油管內(nèi)壁受到的壓力和腐蝕坑處局部應力同時升高，其對應關系如圖4所示。不同內(nèi)壓力下的應力分布如圖5所示。從圖5可以看出，內(nèi)壓力增大到108 MPa時，腐蝕坑處完全屈服，內(nèi)壓力達到最大值。

圖4　腐蝕坑處對應的內(nèi)壁等效應力和內(nèi)壓力關系

a　內(nèi)壓54 MPa

b　內(nèi)壓80 MPa

c　內(nèi)壓108 MPa

1)含球形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓性能有限元分析。

球形腐蝕坑深度為1.935 mm(即規(guī)定壁厚的30%)，腐蝕坑直徑分別選取5.76、10.62、13.21、14.98、16.28、17.29、18.10 mm，分析結(jié)果如圖6。從圖6可以看出，在球形腐蝕坑深度一定的情況下，隨腐蝕坑直徑增大，抗內(nèi)壓強度不斷減?。缓畲蟾g坑(?18.10 mm)比含最小腐蝕坑(?5.76 mm)舊油管的抗內(nèi)壓強度低6.7%。

圖6　含球形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓強

2)含圓錐形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓性能有限元分析。

圓錐形腐蝕坑深度為1.935 mm(即規(guī)定壁厚的30%)，腐蝕坑直徑分別為1.90、3.73、5.47、8.52、10.99、13.78、16.29、17.22 mm，分析結(jié)果如圖7。從圖7可以看出，隨腐蝕坑直徑增大，抗內(nèi)壓強度緩慢下降；含最大腐蝕坑(?17.22 mm)比含最小腐蝕坑(?1.90 mm)舊油管的抗內(nèi)壓強度低4.9%。

圖7　含圓錐形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓

3)含圓柱形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓性能有限元分析。

圓柱形腐蝕坑深度為1.935 mm(即規(guī)定壁厚的30%)，腐蝕坑直徑分別為5.08、7.62、10.16、12.70、15.24、17.78、20.32 mm，分析結(jié)果如圖8。從圖8可以看出，在圓柱形腐蝕坑深度一定的情況下，隨腐蝕坑直徑增大，抗內(nèi)壓強度顯著下降；含最大腐蝕坑(?20.32 mm)比含最小腐蝕坑(?5.08 mm)舊油管的抗內(nèi)壓強度低13.3%。

圖8　含圓柱形腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓

此外，有限元分析結(jié)果表明，當腐蝕坑體積相近的情況下，3種腐蝕坑的內(nèi)壓強度幾乎相同，即內(nèi)壓強度只取決于腐蝕坑體積，與腐蝕坑形狀無關。例如圓錐形腐蝕坑深度1.935 mm、直徑17.22 mm、體積150.21 mm3，內(nèi)壓強度為116 MPa；圓柱形腐蝕坑深度1.935 mm、直徑10.16 mm、體積156.87 mm3，內(nèi)壓強度為114 MPa；球形腐蝕坑深度1.935 mm、直徑13.21 mm、體積147.8 mm3，內(nèi)壓強度為116 MPa。

3多點腐蝕舊油管剩余內(nèi)壓強度理論分析

3.1舊油管剩余內(nèi)壓強度計算方法

對于腐蝕坑深度小于規(guī)定壁厚30%的多點(或均勻)腐蝕，可以采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法進行計算，計算方法如下：

1)均勻壁厚腐蝕法。

均勻腐蝕也叫全面腐蝕，即腐蝕分布在整個金屬表面，均勻腐蝕代表了腐蝕對舊油管的最大破壞。以?88.90 mm×6.45 mm油管為例，假設腐蝕僅發(fā)生在油管外表面，對于腐蝕坑最大深度為30%名義壁厚的多點(或均勻)腐蝕來說，強度計算公式中的壁厚采用4.52 mm、外徑采用85.04 mm。

2)概率分布法。

對油管外表面的腐蝕坑深度進行概率統(tǒng)計分析，計算出腐蝕坑的平均深度，按此平均值進行強度計算。還是以?88.90 mm×6.45 mm油管為例，假設腐蝕僅發(fā)生在油管外表面，腐蝕坑平均深度占壁厚厚度的18.7%，則強度計算公式中的壁厚采用5.24 mm、外徑采用86.48 mm。

3)腐蝕坑均勻排布法。

假設腐蝕坑形狀完全相同，均為圓錐形，且均勻分布在油管外表面，如圖9。任意選取一個腐蝕坑，如圖10，油管外徑為R，腐蝕坑深度為h，腐蝕坑直徑為b，則任意一個腐蝕坑的面積計算如式(1)，腐蝕坑總面積計算如式(2)。按照腐蝕損失總面積，反算剩余壁厚，根據(jù)剩余壁厚進行剩余強度計算。

圖9　腐蝕坑均勻排布示意

圖10　任意一個腐蝕坑的計算模型

(1)

S∑=∑S

(2)

4)實驗值統(tǒng)計預測法(依據(jù)3σ準則)。

采用3σ準則對實物試驗數(shù)據(jù)(見表1)進行處理，選取落在(μ-3σ，μ+3σ)區(qū)間的實物數(shù)據(jù)與上述3種理論計算結(jié)果進行比對。

3.2多點(或均勻)腐蝕舊油管剩余抗內(nèi)壓強度理論分析

采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對舊油管的抗內(nèi)壓強度進行理論計算，如式(3)，計算結(jié)果如表2。依據(jù)3σ準則對實物內(nèi)壓強度(如表1)進行計算，結(jié)果如表2。從表2可以看出，采用均勻壁厚腐蝕法計算出來的抗內(nèi)壓強度最??；采用概率分布法計算出來的抗內(nèi)壓強度介于腐蝕坑均勻排布法之間(分別采用最小當量壁厚和最大當量壁厚)；采用均勻壁厚腐蝕法和實驗值統(tǒng)計預測法(3σ)計算結(jié)果偏保守；采用腐蝕坑均勻排布法與實物內(nèi)壓強度最接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法計算舊油管剩余內(nèi)壓強度。

(3)

式中：p2表示抗內(nèi)壓強度，MPa；Y2為材料實際屈服強度，MPa；t為平均壁厚，mm；D為平均外徑，mm。

表2　含多點腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓強度計算結(jié)果

4結(jié)果分析

該油田舊油管發(fā)生了不同程度的多點(或均勻)腐蝕。舊油管實物內(nèi)壓試驗表明，在其他因素(材料自身強度、受力狀況)基本相同的情況下，隨外表面腐蝕坑深度增大，內(nèi)壓強度呈明顯降低趨勢。其中最大腐蝕坑深度占名義壁厚17%的舊油管內(nèi)壓強度最高，為141.2 MPa，最大腐蝕坑深度占名義壁厚57%的舊油管內(nèi)壓強度僅為105.4 MPa，兩者相差44.0%。大量的油管內(nèi)壓試壓表明，普通油管的內(nèi)壓強度一般較API Bul 5C2標準要求高出50%以上，因此，可以推斷該批油管受腐蝕影響，平均內(nèi)壓強度值較原始狀態(tài)至少降低了20%。

有限元分析表明，對外表面單一腐蝕坑而言，在腐蝕坑深度一定的情況下，圓柱形腐蝕坑對油管的內(nèi)壓強度影響最大，球形腐蝕坑影響次之，圓錐形腐蝕坑影響最小。這是因為在腐蝕坑深度和外徑一定的情況下，圓柱體腐蝕坑所占體積最大、球缺次之、圓錐體最小。內(nèi)壓強度只取決于腐蝕坑體積，與腐蝕坑形狀無關。

采用3種方法對多點(或均勻)腐蝕舊油管剩余內(nèi)壓強度進行理論分析。結(jié)果表明，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的內(nèi)壓強度與實物內(nèi)壓強度最為接近，這是因為本批油管主要發(fā)生的是多點腐蝕，用腐蝕坑均勻排布法更接近油管實際狀況。

5結(jié)論

1)實物內(nèi)壓試驗表明，對外表面多點腐蝕來說，深度最大的腐蝕坑決定了舊油管的剩余內(nèi)壓強度。

2)有限元分析表明，對外表面單一腐蝕坑而言，在腐蝕坑深度一定的情況下，圓柱形腐蝕坑對內(nèi)壓強度的影響最大，球形腐蝕坑的影響次之，圓錐形腐蝕坑的影響最小。

3)有限元分析結(jié)果表明，內(nèi)壓強度只取決于腐蝕坑體積，與腐蝕坑形狀無關。

4)理論計算表明，對外表面多點腐蝕，采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預測剩余內(nèi)壓強度。

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Study on Residual Internal Pressure Strength of Tubing with Corrosion Pit

SHI Jiaoqi1，3，JIA Lu2，DENG Li2，HU Jilin2，WANG Lei2，LYU Qinggang2，JI Bingyin3，WANG Jun3

(1.SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.EquipmentSupplyCentre，NorthwestExplorationBureau，SINOPEC，Luntai841600，China；3.Xi’anServStressEngineeringTechnologyServiceCo.，Ltd.，Xi’an710075，China)

Abstract：Corrosion pit was formed as local corrosion.It will deteriorate the resistance to internal pressure，and even cause fracture of tubing.The property of internal pressure resistance was evaluated by hydraulic pressure testing machine，and the internal pressure strength of tubing was calculated by means of finite element analysis software and theoretical calculation model.Results show that the deepest corrosion pit outside the surface determines the internal pressure strength of tubing，internal pressure strength depends only on the corrosion pit in volume than in shape，and the residual internal pressure strength of tubing can be predicted by the method of corrosion pit uniform distribution.So the size of corrosion pit should be measured and the method of corrosion pit uniform distribution can be suggested to predict the residual internal pressure strength of tubing for improving the reuse reliability.

Keywords：tubing；corrosion；internal pressure strength；finite element analysis

中圖分類號：TE931.202

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.003

作者簡介：史交齊(1965-)，男，內(nèi)蒙古和林人，高級工程師，博士研究生，主要從事石油管材技術(shù)研究。

收稿日期：①2015-08-17

文章編號：1001-3482(2016)02-0010-06