套管及油管螺紋連接熱循環(huán)試驗(yàn)載荷的探討*

婁　琦，李東風(fēng)，楊　鵬，王　蕊，韓　軍

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077)

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套管及油管螺紋連接熱循環(huán)試驗(yàn)載荷的探討*

婁琦，李東風(fēng)，楊鵬，王蕊，韓軍

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077)

摘要:針對(duì)套管及油管螺紋連接的全尺寸熱循環(huán)試驗(yàn)，分析了現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于載荷點(diǎn)的規(guī)定，指出了其中存在的問題;進(jìn)而設(shè)計(jì)出了新的試驗(yàn)載荷點(diǎn);根據(jù)試驗(yàn)載荷包絡(luò)線有效試驗(yàn)區(qū)域的確定，探討了新試驗(yàn)載荷點(diǎn)的合理性。結(jié)果表明:試驗(yàn)程序的改進(jìn)，有效提升了套管和油管的評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞:全尺寸試驗(yàn);熱循環(huán)試驗(yàn);試驗(yàn)載荷包絡(luò)線;載荷點(diǎn)

0　引言

套管和油管是石油工業(yè)油氣勘探開發(fā)及鉆采過程中不可或缺的專用管材，其質(zhì)量的好壞直接影響著鉆采作業(yè)的成敗、油氣田生產(chǎn)的成本和使用壽命。隨著油氣田勘探開發(fā)力度的加大，深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、定向井、水平井等油氣井不斷增多，嚴(yán)苛工況油氣井勘探開發(fā)對(duì)油套管的質(zhì)量和性能也提出了越來越苛刻的要求［1］。單根油管或套管通過螺紋接頭連接形成油管柱或套管柱，螺紋接頭部分成為管柱中的重要組成部分。在油氣井中，油/套管柱長期承受拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)壓、外壓及溫度等載荷產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力的考驗(yàn)［2］，因此，除常規(guī)的材料性能、幾何尺寸、無損檢測(cè)、螺紋參數(shù)需滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求外，管柱其整體性能亦尤為重要，不僅需要具備符合生產(chǎn)要求的結(jié)構(gòu)完整性，還需要有良好的抗粘扣性能和密封性能［3，4］。

ISO 13679:2002［5］是現(xiàn)行的套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序國際標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)價(jià)套管、油管及其螺紋連接的粘扣趨勢(shì)、密封性能和結(jié)構(gòu)完整性。該標(biāo)準(zhǔn)是目前國際上評(píng)價(jià)油/套管最為嚴(yán)格和全面的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，自實(shí)施以來為制造廠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，以及為油田用戶確定產(chǎn)品的適用性發(fā)揮了無可替代的作用。標(biāo)準(zhǔn)中引入了試驗(yàn)載荷包絡(luò)線(TLE)，并將其作為試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則。試驗(yàn)載荷包絡(luò)線根據(jù)Von Mises最小形變能準(zhǔn)則計(jì)算得出，用來描述管體/接頭復(fù)合承載能力的臨界點(diǎn)，在保證安全的前提下使試樣承受盡可能高的載荷或復(fù)合載荷，以評(píng)價(jià)油/套管的密封性能和結(jié)構(gòu)完整性是否滿足設(shè)計(jì)或使用要求。

標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線試驗(yàn)，主要評(píng)價(jià)油/套管的密封性能，根據(jù)涉及載荷種類的不同，分為A系試驗(yàn)、B系試驗(yàn)和C系試驗(yàn)三個(gè)部分。其中，C系試驗(yàn)為拉伸和內(nèi)壓條件下的熱循環(huán)試驗(yàn)，其試驗(yàn)?zāi)康臑樵u(píng)估服役條件下，在拉伸和內(nèi)壓加速作用下的接頭在熱循環(huán)時(shí)泄漏的可能性。標(biāo)準(zhǔn)中給出了熱循環(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)的設(shè)置方法，在實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，其復(fù)合載荷超過管體理論可承受的軸向總載荷，認(rèn)為此為不妥之處。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)使用的計(jì)算方法，通過探討和對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出新的熱循環(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)，為科學(xué)合理的進(jìn)行油/套管螺紋連接試驗(yàn)，科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品全尺寸性能具有積極的意義和重要的作用。

1　標(biāo)準(zhǔn)中熱循環(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)分析

采用標(biāo)準(zhǔn)中適用于最苛刻用途的接頭使用級(jí)別的熱循環(huán)試驗(yàn)為例，介紹試驗(yàn)的過程，論證載荷點(diǎn)。即將闡述的問題，在套管和油管螺紋連接的全尺寸實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)中均存在，為簡化論述，選取一種規(guī)格的套管展開分析。

1.1熱循環(huán)試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，施加到試樣上的載荷為:軸向拉伸框架載荷(Fi)、內(nèi)壓(pi)和溫度(高溫不小于180℃);試樣實(shí)際承受的載荷，由兩個(gè)重要的參數(shù)來表示: VME應(yīng)力(馮·米塞斯等效應(yīng)力，σv)和軸向總載荷(Fa)，其中軸向總載荷包括框架作用的軸向載荷(Fi)和壓力引起的軸向載荷(FCEPL)，文中室溫和高溫的符號(hào)均增加a或e標(biāo)記。

試驗(yàn)的過程，如圖1所示。試驗(yàn)可以分為:室溫下的內(nèi)壓/拉伸載荷循環(huán)，溫度循環(huán)和高溫下內(nèi)壓/拉伸載荷循環(huán)三部分。其中，室溫下的內(nèi)壓/拉伸載荷循環(huán)的載荷點(diǎn)LPa，包含軸向框架拉伸載荷和內(nèi)壓兩種載荷，即為室溫下最大的機(jī)械載荷;溫度循環(huán)和高溫下內(nèi)壓/拉伸載荷循環(huán)的載荷點(diǎn)LPe，同樣也包含軸向框架拉伸載荷和內(nèi)壓兩種載荷，即為高溫下最大的機(jī)械載荷。

圖1　熱循環(huán)試驗(yàn)過程

1.2載荷點(diǎn)設(shè)置

以某Φ177.80 mm×9.19 mm P110特殊螺紋套管為例，套管的管體和接箍等強(qiáng)度，試驗(yàn)依據(jù)的試樣參數(shù)，見表1。

表1　試樣參數(shù)

假定螺紋連接與管體效率等同，室溫或高溫VME等效應(yīng)力載荷選用管體或接箍材料的室溫或高溫實(shí)測(cè)最小屈服強(qiáng)度、管體名義外徑和管體實(shí)測(cè)最小壁厚為試驗(yàn)載荷的計(jì)算依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱循環(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)的定義，簡述如下。室溫最大機(jī)械載荷(室溫載荷點(diǎn)LPa):拉伸載荷取80％屈服載荷;內(nèi)壓載荷取95％ VME應(yīng)力包絡(luò)線載荷。高溫最大機(jī)械載荷(高溫載荷點(diǎn)LPe):內(nèi)壓和室溫下的內(nèi)壓相同，拉伸載荷取90％ VME應(yīng)力包絡(luò)線載荷。標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確的表述拉伸載荷為Fi還是Fa，因此，本文將分為兩個(gè)方案分別闡述。

第一種方案:此處的拉伸載荷為軸向框架拉伸載荷(Fi)，試驗(yàn)載荷點(diǎn)和加載路徑，如圖2所示。圖中展示了室溫下管體100％ VME包絡(luò)線，即為管柱理論承受的最大載荷;室溫下管體95％ VME包絡(luò)線，是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的室溫試驗(yàn)載荷包絡(luò)線，即由增加了安全系數(shù)的最大試驗(yàn)載荷組成，LPa為其中的一點(diǎn);高溫管體95％ VME包絡(luò)線，即為高溫下試驗(yàn)載荷包絡(luò)線，LPe為其中的一點(diǎn)。從圖中可以看出，在室溫條件下，對(duì)管體施加軸向框架拉伸載荷Fi

a=80％ Fta，再施加內(nèi)壓pi

a，達(dá)到95％ VME包絡(luò)線載荷，而此時(shí)LPa的軸向總載荷Faa＞Ft

a，因此，在該載荷點(diǎn)，管體承受了超過其理論承載能力的軸向總載荷，是危險(xiǎn)的。此為該方案計(jì)算得到載荷點(diǎn)的不合理之處。

圖2　方案一熱循環(huán)試驗(yàn)加載路徑和載荷點(diǎn)

進(jìn)行高溫下的載荷循環(huán)和溫度循環(huán)時(shí)，載荷點(diǎn)具有和室溫載荷點(diǎn)相同的內(nèi)壓，再施加達(dá)到高溫90％ VME包絡(luò)線載荷，雖然此時(shí)LPe的軸向總載荷，同樣是不合理的。

對(duì)于試驗(yàn)載荷點(diǎn)的安全區(qū)域，也稱之為有效試驗(yàn)區(qū)域，如圖3所示。圖中陰影面積區(qū)域由試驗(yàn)載荷點(diǎn)組成，圖(a)中所示的室溫95％VME包絡(luò)線之內(nèi)的區(qū)域，為理論上室溫載荷的試驗(yàn)區(qū)域，在其中的載荷點(diǎn)都是安全的，包絡(luò)線上的載荷點(diǎn)為最大載荷點(diǎn);高溫的載荷區(qū)域也有相應(yīng)的表示。而實(shí)際上，載荷包絡(luò)線上及其內(nèi)軸向總載荷超過95％的區(qū)域是超過管材設(shè)計(jì)承載能力的，高溫同理。因此，安全有效的試驗(yàn)區(qū)域，應(yīng)如圖(b)所示。

顯然，方案一計(jì)算出的載荷點(diǎn)LPa和LPe均不在安全有效的試驗(yàn)區(qū)域，該方案不合理。

圖3　有效試驗(yàn)區(qū)域

第二種方案:此處的拉伸載荷為軸向拉伸總載荷(Fa)，即。通過軸向總載荷和VME應(yīng)力同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求來計(jì)算試驗(yàn)載荷點(diǎn)，如圖4所示。從圖中可以看出，室溫載荷點(diǎn)LPa在有效試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)要求，那么，所有符合該條件的載荷點(diǎn)，均超出了高溫條件下的有效試驗(yàn)區(qū)域，VME應(yīng)力超出了高溫90％ VME包絡(luò)線，無法確定出符合條件的LPe，此為該方案計(jì)算載荷點(diǎn)的不合理之處。

因此，采用標(biāo)準(zhǔn)中熱循環(huán)試驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)方法，不管其中表述不清楚的拉伸載荷為Fi還是Fa，均存在不合理之處，無法得到安全有效的試驗(yàn)載荷點(diǎn)。

圖4　方案二熱循環(huán)試驗(yàn)加載路徑和載荷點(diǎn)

2　熱循環(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)新方案

方案二中計(jì)算出的載荷點(diǎn)LPa在安全有效的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，并且使管柱同時(shí)承受了較大的軸向框架載荷和內(nèi)壓，對(duì)于檢驗(yàn)管柱承受載荷循環(huán)的能力，是合理的、恰當(dāng)?shù)摹?/p>

在設(shè)計(jì)的新方案(方案三)中，室溫載荷點(diǎn)LPa采用與方案二相同的方法確定，即施加，同時(shí)滿足和室溫95％ VME包絡(luò)線載荷。高溫載荷點(diǎn)LPe的計(jì)算，不再采用標(biāo)準(zhǔn)要求的高溫和室溫內(nèi)壓相同這一條件，將其變更為LPe的載荷同時(shí)滿足和高溫90％ VME包絡(luò)線載荷。載荷點(diǎn)和加載路徑，如圖5所示。

圖5　方案三熱循環(huán)試驗(yàn)加載路徑和載荷點(diǎn)

通過新方案的載荷點(diǎn)計(jì)算和設(shè)定方法，設(shè)計(jì)的室溫和高溫載荷點(diǎn)，以及加載過程中的過渡試驗(yàn)點(diǎn)，均在安全有效的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，解決了標(biāo)準(zhǔn)中程序計(jì)算方法帶來的加載載荷不合理的問題，通過理論分析和多種規(guī)格的油管和套管的全尺寸實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，均證明該方案能充分滿足試驗(yàn)?zāi)康囊蟆７桨溉行碌臒嵫h(huán)試驗(yàn)載荷點(diǎn)，因其科學(xué)性和合理性，為科學(xué)合理的進(jìn)行油/套管螺

紋連接試驗(yàn)，科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品全尺寸性能具有積極的意義，也給解決實(shí)際試驗(yàn)問題，提供了新思路。

3　結(jié)論

1)現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于套管和油管螺紋連接熱循環(huán)試驗(yàn)載荷的計(jì)算，因載荷點(diǎn)超出安全有效的試驗(yàn)范圍，為不合理的程序設(shè)計(jì)方法。

2)通過使管柱承受的軸向框架拉伸載荷和內(nèi)壓在室溫和高溫同時(shí)滿足軸向總載荷和相應(yīng)VME應(yīng)力載荷的要求，計(jì)算出了合理有效的試驗(yàn)載荷點(diǎn)。

3)實(shí)際試驗(yàn)表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)的載荷點(diǎn)，滿足熱循環(huán)試驗(yàn)?zāi)康膶?shí)現(xiàn)要求。

參考文獻(xiàn)

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［2］宋治，馮耀榮.油井管與管柱技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007: 1－144.

［3］Payne M L，Schwind B E.A New International Standard for Casing/Tubing Connection Testing［C］.SPE/IADC 52846，1999.

［4］馮耀榮，韓禮紅，張福祥，等.油氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.天然氣工業(yè)，2014，34(11): 73－81.

［5］ISO.ISO 13679－2002，Petroleum and natural gas industries －procedures for Casing and Tubing Connections［S］.Switzerland: ISO copyright office，2002.

Speculation on Thermal Cycling Test Loads of Casing and Tubing Connections

LOU Qi，LI Dongfeng，YANG Peng，WANG Rui，HAN Jun
(CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:Aiming at thermal cycling test of casing and tubing thread connections，the specification of the current international standard on test loads is analyzed，and the existing problems were pointed out.And then a new program to calculate the test loads is designed.According to the confirmed effective test area of the test load envelope，the rationally of new procedure of thermal cycling test loads was tested.The results indicate that the evaluation method of casing and tubing based on the improved the rest procedure is more scientific.

Key words:full-scale tests; thermal cycling tests; test load envelope; load point

(收稿日期:2015－11－30編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:婁琦，女，1981年生，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在石油管工程技術(shù)研究院從事油套管質(zhì)量評(píng)價(jià)及試驗(yàn)研究工作。E-mail: louq@ cnpc.com.cn

基金項(xiàng)目:中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院項(xiàng)目“復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)能力開發(fā)與試驗(yàn)技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào): TGRI－2014－YK－19)

中圖法分類號(hào):TE931

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):2096－0077(2016)01－0029－03