壓縮天然氣地下儲氣井缺陷標(biāo)定樣管的研制

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(安徽省特種設(shè)備檢測院, 合肥 230051)

CNG(壓縮天然氣)地下儲氣井作為一種埋地高壓容器，在我國已使用了近30 a。因其相比儲氣瓶、儲氣罐等具有安全性強(qiáng)、儲氣量大、使用效率高、節(jié)省空間、使用成本低等特點(diǎn)[1]，地下儲氣井已成為我國CNG加氣站的主要儲氣設(shè)備，使用率約80%，各高校和科研機(jī)構(gòu)也相繼開展了相關(guān)研究，有關(guān)儲氣井檢驗(yàn)檢測的理論、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范正逐步完善，但“超規(guī)范、超標(biāo)準(zhǔn)”仍普遍存在[2]，特別在儲氣井的定期檢測方面，缺乏統(tǒng)一的缺陷標(biāo)定樣管、參考標(biāo)定信號和評價標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重阻礙了我國儲氣井檢測技術(shù)的發(fā)展，因此有必要研制儲氣井缺陷的標(biāo)定樣管。

1 缺陷標(biāo)定樣管的研制

1.1 樣管材料與規(guī)格

由于儲氣井的設(shè)計和制造思路來源于石油井的設(shè)計和制造，因此我國儲氣井套管材料最原始參照的標(biāo)準(zhǔn)是美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)對儲氣井套管材料等級、性能參數(shù)、加工方法和套管規(guī)格做了詳細(xì)規(guī)定，先后在SY/T 6535-2002《高壓氣地下儲氣井》、《關(guān)于加強(qiáng)地下儲氣井安全監(jiān)察工作的通知》(質(zhì)檢辦特〔2008〕637號)、《質(zhì)檢總局關(guān)于地下儲氣井安全監(jiān)察有關(guān)事項(xiàng)的公告》(2014年第42號)、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對儲氣井套管材料規(guī)格做了規(guī)定，綜合上述要求，結(jié)合實(shí)際檢測經(jīng)驗(yàn)，考慮樣管制作的加工難度和參考價值，確定了樣管的材料與規(guī)格(外徑×壁厚×長度)，如表1所示。

表1 樣管的材料與規(guī)格

1.2 儲氣井檢測重點(diǎn)缺陷與標(biāo)準(zhǔn)缺陷形式

根據(jù)儲氣井使用的環(huán)境特點(diǎn)、負(fù)載循環(huán)工況、內(nèi)外表面接觸介質(zhì)特性以及儲氣井的制造工藝，從損傷模式識別角度進(jìn)行分析，儲氣井套管損傷模式可分為10種[3]，失效模式可分為4種[2]。根據(jù)儲氣井定期檢測過程中采集到的信號和數(shù)據(jù)，首先直接分析得到的是套管缺陷的信號特征；之后可結(jié)合其他影響因素綜合分析確定其損傷模式，評價儲氣井的安全狀況，并進(jìn)一步制定防護(hù)管理方案，其流程如圖1所示。從信號采集分析、缺陷識別和標(biāo)準(zhǔn)缺陷制作角度考慮，分析出儲氣井檢測中的重點(diǎn)缺陷對標(biāo)準(zhǔn)缺陷的制作更加有利，因此著重從儲氣井檢測中的重點(diǎn)缺陷出發(fā)，分析其特點(diǎn),進(jìn)而確定樣管標(biāo)準(zhǔn)缺陷的形式，標(biāo)準(zhǔn)缺陷的制作流程如圖2所示。

圖1 儲氣井檢測流程

圖2 標(biāo)準(zhǔn)缺陷制作流程

1.2.1 裂紋與開裂

儲氣井套管在交變工作載荷、外部復(fù)雜地下土壤環(huán)境和內(nèi)部復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境共同作用下，容易產(chǎn)生材料力學(xué)性能和抗疲勞性能降低，發(fā)生疲勞裂紋、腐蝕疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕開裂、脆性斷裂以及腐蝕減薄引起開裂的可能性增大。我國從開始使用儲氣井至今，以儲氣井套管裂紋與開裂造成的事故最為惡劣，如四川宜賓天池加油加氣站儲氣井竄井事故的原因就是儲氣井套管的應(yīng)力腐蝕開裂。

裂紋與開裂缺陷的檢測難度較大，加上儲氣井套管埋于地下，管壁內(nèi)外環(huán)境復(fù)雜，以及我國對在用儲氣井套管裂紋和開裂的研究仍然不夠深入，缺乏裂紋與開裂缺陷的參考標(biāo)定和評價標(biāo)準(zhǔn)。

參考NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》、API Spec 5CT，擬在樣管上設(shè)置系列人工反射體作為預(yù)置缺陷，以其試驗(yàn)信號的數(shù)據(jù)特征作為裂紋與開裂缺陷的判別評定依據(jù)，具體做法為：在標(biāo)訂樣管內(nèi)外表面的軸向和周向設(shè)置不同尺寸、高精度的縱向矩形槽，作為縱向裂紋和開裂缺陷的標(biāo)定缺陷；在周向上設(shè)置不同尺寸、高精度的橫向矩形槽和環(huán)形槽，作為套管橫向裂紋與開裂缺陷的標(biāo)定缺陷。標(biāo)定缺陷具體尺寸和分布如表2～5所示，以這些標(biāo)定缺陷在試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號為基礎(chǔ)，總結(jié)分析裂紋與開裂的信號特征，得到裂紋和開裂缺陷的定性和量化評價依據(jù)，縱向與橫向標(biāo)定缺陷形式如圖3所示。

圖3 縱、橫向標(biāo)定缺陷形式示意

1.2.2 壁厚減薄

儲氣井套管壁厚減薄是在用儲氣井最常見的缺陷，成因最多，對儲氣井性能影響也最廣泛，最直接的影響是使得套管強(qiáng)度下降，而壁厚減薄到臨界點(diǎn)時，套管強(qiáng)度便無法滿足儲氣井的使用要求。安徽省一口儲氣井在使用3年后首次定期檢驗(yàn)時，其壁厚就已減薄至無法滿足使用要求而報廢，四川省一口儲氣井因下封頭附近套管腐蝕減薄穿孔而發(fā)生爆炸事故[4]。

壁厚減薄的檢測數(shù)據(jù)信號特征明顯，相比較其他缺陷更容易判定，所以相關(guān)檢測技術(shù)發(fā)展最為完善，從壁厚減薄的形式上區(qū)分，可大體分為點(diǎn)孔減薄、局部減薄和均勻減薄。

目前，我國的檢測技術(shù)已能較為準(zhǔn)確地檢測均勻減薄和局部減薄程度，但缺乏統(tǒng)一的標(biāo)定樣管，對最具危險性的針孔腐蝕尚未做系統(tǒng)研究。針對以上問題，提出的解決方法是在標(biāo)定樣管上設(shè)置系列階梯環(huán)和平底孔，階梯環(huán)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號可用于套管局部減薄和均勻減薄的標(biāo)定信號采集和基準(zhǔn)靈敏度確定，平底孔用于點(diǎn)孔減薄標(biāo)定信號采集和檢測靈敏度研究。階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷形式如圖4所示。

圖4 階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷形式示意

2 標(biāo)定缺陷分布

2.1 裂紋與開裂標(biāo)定缺陷分布

2.1.1 縱向矩形槽分布

選用兩根材料為N80，規(guī)格為φ244.48 mm×11.99 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管，記為1#和 2#樣管，在平行于管軸方向設(shè)置縱向矩形槽，要求矩形槽的兩個側(cè)面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm處開設(shè)第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm開設(shè)一組矩形槽，每組5個矩形槽沿周向均布，1#樣管開設(shè)10組，2#樣管開設(shè)12組，兩根標(biāo)定樣管上矩形槽具體尺寸(長×寬×深)和分布位置如表2，3所示。

表2 1#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

表3 2#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

2.1.2 橫向矩形槽分布

選用兩根材料為N80，規(guī)格為φ177.8 mm×10.36 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管，記為3#和4#樣管，在垂直于管軸方向設(shè)置橫向矩形槽，要求矩形槽的兩個側(cè)面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm設(shè)置第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm處設(shè)置一組矩形槽，每組5個矩形槽沿周向均布，3#樣管開設(shè)10組，4#樣管開設(shè)12組，前6組為矩形槽，后6組為環(huán)形槽，兩根標(biāo)定樣管上的矩形槽具體尺寸和分布位置如表4，5所示。

2.2 階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷

選用1根材料為P110，規(guī)格為φ244.48 mm×11.05 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管作為5#樣管，設(shè)置階梯環(huán)和系列平底孔，其具體尺寸和分布示意如圖5所示。

表4 3#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

表5 4#樣管矩形槽和環(huán)形槽尺寸和分布位置 mm

圖5 5#樣管階梯環(huán)和平底孔分布示意

圖6 試制樣管外觀

圖7 試制的標(biāo)定缺陷外觀

3 標(biāo)定樣管的試制與初步驗(yàn)證

課題組根據(jù)以上確定的缺陷標(biāo)定樣管的材料、標(biāo)定的缺陷形式、尺寸和分布，試制了一套標(biāo)定樣管并進(jìn)行初步驗(yàn)證試驗(yàn)。試制的樣管與標(biāo)定缺陷外觀如圖6,7所示。

裂紋與開裂缺陷的檢測難度較大，需要后期深入研究，故選擇階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷樣管進(jìn)行初步驗(yàn)證試驗(yàn)。

儲氣井綜合試驗(yàn)平臺可模擬實(shí)際儲氣井套管的工況和檢驗(yàn)環(huán)境。利用此平臺對5#樣管進(jìn)行檢測試驗(yàn)，分別得到階梯環(huán)缺陷和平底孔缺陷處的信號特征(見圖8)。

從圖8(a)可知，從最左端向右表示樣管從階梯環(huán)最低階梯處向正常管壁過渡，從圖中可以看出樣管壁厚從薄到厚過渡明顯，且階梯狀過渡明顯，與實(shí)際設(shè)置的標(biāo)定缺陷相符。

從圖8(b)可知:當(dāng)標(biāo)定樣管管壁無異常時，信號下沿過渡平滑，波動極小，是制造誤差產(chǎn)生的;當(dāng)?shù)竭_(dá)平底孔缺陷時，信號線明顯下沉，出現(xiàn)壁厚突發(fā)的減薄，且在水平方向上有一定的持續(xù)，平滑不尖銳。

圖8 階梯環(huán)和平底孔缺陷信號特征

4 結(jié)語

針對我國CNG儲氣井檢測中存在缺乏統(tǒng)一缺陷標(biāo)定樣管、參考標(biāo)定和缺陷評價標(biāo)準(zhǔn)的問題，結(jié)合儲氣井檢測實(shí)際，從檢測中常見的重點(diǎn)缺陷入手，確定能夠表征相關(guān)缺陷的標(biāo)定缺陷形式、尺寸和分布形式，研制出缺陷標(biāo)定樣管，樣管制成后可應(yīng)用于參考標(biāo)定信號的采集、儲氣井檢測設(shè)備校準(zhǔn)和檢測靈敏度研究、儲氣井檢測技術(shù)人員培訓(xùn)和儲氣井檢測新技術(shù)、新設(shè)備的開發(fā)，將有助于我國儲氣井檢測技術(shù)的發(fā)展。