表面機(jī)械損傷對CT110連續(xù)油管疲勞壽命的影響*

劉 云，喬凌云，李博鋒，魯云飛

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞 721008；3.寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安 710201）

0 前 言

連續(xù)油管是一種長度上千米的油氣管材，廣泛應(yīng)用于油氣田修井、鉆井、測井、完井等領(lǐng)域。作業(yè)時(shí)，連續(xù)油管在注入頭的牽引下從纏繞的卷筒中拉出，從彎曲狀態(tài)被拉直，通過導(dǎo)向架再次彎曲、變直后下入井內(nèi)，產(chǎn)生3 次塑性變形，作業(yè)完成后注入頭提供一個(gè)反向牽引力，使連續(xù)油管經(jīng)導(dǎo)向架反向纏繞在卷筒上，管體產(chǎn)生3 個(gè)反向彎曲變形，整個(gè)起下過程中管體發(fā)生6 次塑性變形，承受低周彎曲疲勞載荷[1-3]。同時(shí)，作業(yè)過程中由于連續(xù)油管與注入頭、井口設(shè)備、井內(nèi)套管等產(chǎn)生摩擦、擠壓，經(jīng)常會使管體產(chǎn)生機(jī)械損傷。在機(jī)械損傷和疲勞載荷共同作用下，造成連續(xù)油管斷裂失效，影響作業(yè)安全甚至造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明因機(jī)械損傷而導(dǎo)致的連續(xù)油管失效，是連續(xù)油管主要的失效形式之一。在油田現(xiàn)場連續(xù)油管表面常見的機(jī)械損傷有劃痕、刻傷、割傷、凹坑、壓坑等[4-10]。因此，對帶有機(jī)械損傷的連續(xù)油管進(jìn)行疲勞壽命測試，分析機(jī)械損傷對連續(xù)油管疲勞壽命的影響，為連續(xù)油管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評估提供數(shù)據(jù)支持，具有十分重要的意義。

本研究通過對無損傷連續(xù)油管、帶人工機(jī)械損傷的連續(xù)油管以及表面修磨的連續(xù)油管試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對比疲勞循環(huán)次數(shù)和斷口形貌，分析損傷形式及修磨處理對連續(xù)油管疲勞壽命的影響，為現(xiàn)場作業(yè)安全評估及損傷修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用 CT110 鋼級 Φ50.8 mm×4.44 mm 的連續(xù)油管。分別制備四類試樣，第一類為圓形損傷試樣，采用錐度120°的鉆頭在管體外表面母材上鉆出直徑5 mm 的圓孔，深度分別為管體母材公稱壁厚的5%、10%、15%，每個(gè)深度試樣為一組，每組兩件； 第二類為環(huán)向刻槽試樣，采用線切割在管體外表面母材上垂直于管體軸向，切割出寬度約1 mm，深度分別為管體母材公稱壁厚的5%、10%、15%的環(huán)向刻槽，每個(gè)深度試樣為一組，每組兩件； 第三類為縱向刻槽試樣，采用車床在管體外表面母材上加工出平行于管體軸向?qū)挾燃s1 mm, 長度15 mm，深度分別為管體母材公稱壁厚的5%、10%、15%的縱向刻槽，每個(gè)深度試樣為一組，每組兩件； 第四類為表面修磨試樣，采用手持式角磨機(jī)在管體外表面母材上修磨出長軸40 mm，短軸10 mm 的橢圓形修磨坑，其長軸與管體軸向平行，短軸與管體軸向垂直，修磨后采用80 目砂布平行于管體軸向?qū)⑿弈タ哟蚰ブ帘砻婀饣弈タ幼钌钐幰来螢楣荏w公稱壁厚的5%、10%、15%，每個(gè)深度試樣為一組，每組兩件。試樣具體幾何參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)油管試樣幾何參數(shù)

疲勞試驗(yàn)采用專用的連續(xù)油管彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)可模擬連續(xù)油管作業(yè)時(shí)承受內(nèi)壓情況下，在卷筒和注入頭處產(chǎn)生的低周彎曲疲勞循環(huán)過程，測試試樣疲勞壽命。試驗(yàn)條件為彎曲半徑1 828.8 mm，試樣內(nèi)壓34.47 MPa。將損傷部位或修磨區(qū)置于受彎曲變形最大處進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，直至試樣開裂失效。分別進(jìn)行無機(jī)械損傷、帶機(jī)械損傷、表面修磨試樣的疲勞試驗(yàn)，對比各類試樣的疲勞壽命，分析機(jī)械損傷及修磨對疲勞壽命的影響。采用日立S-3700N掃描電鏡對部分試樣斷口特征進(jìn)行觀察，了解疲勞斷裂過程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疲勞壽命對比

試驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)械損傷試樣疲勞斷口均位于機(jī)械損傷部位，表面修磨試樣斷口位于修磨區(qū)。試樣疲勞循環(huán)壽命平均值如圖1 所示，各試樣疲勞壽命與無損傷試樣疲勞壽命對比結(jié)果見表2。其中，無損傷試樣疲勞壽命平均值為230 次，帶機(jī)械損傷試樣平均疲勞壽命均低于此值，且隨著損傷深度的增加，機(jī)械損傷試樣疲勞壽命下降。圓形損傷試樣疲勞壽命隨著損傷深度的增加與無損傷試樣疲勞壽命之比依次為71%、40%、11%。環(huán)向刻槽試樣疲勞壽命隨著損傷深度的增加與無損傷試樣疲勞壽命之比依次為52%、17%、10%?？v向刻槽試樣疲勞壽命隨著損傷深度的增加與無損傷試樣疲勞壽命之比依次為 84%、76%、69%。在相同深度下，相對于無損傷試樣，環(huán)向刻槽試樣疲勞壽命降低幅度最為嚴(yán)重，其次為圓形損傷和縱向刻槽試樣。從環(huán)向刻槽試樣疲勞壽命與縱向刻槽試樣疲勞壽命的對比也可以看出，對于線性損傷，長度方向與管體軸向的角度對疲勞壽命具有較大的影響。

圖1 試樣疲勞循環(huán)壽命平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 試樣疲勞壽命與無損傷試樣對比結(jié)果

表面修磨試樣疲勞壽命隨著修磨深度的增加而降低，其值分別為無損傷試樣的98%、80%、36%，修磨深度為母材壁厚的15%時(shí)，疲勞壽命下降明顯。表面修磨試樣疲勞壽命明顯高于相同深度下的圓形損傷和環(huán)向刻槽試樣疲勞壽命，說明通過對這兩類表面損傷的修磨可提高連續(xù)油管疲勞壽命。當(dāng)深度為管體壁厚5%和10%時(shí)，表面修磨試樣疲勞壽命也高于縱向刻槽試樣疲勞壽命； 當(dāng)深度為母材壁厚15%時(shí)，表面修磨試樣疲勞壽命則低于縱向刻槽試樣。

2.2 疲勞斷口分析

選取外表面無損傷試樣和深度為壁厚10%的圓形損傷、橫向刻槽損傷、縱向刻槽損傷以及表面修磨試樣的疲勞試驗(yàn)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖2～圖6 所示。各試樣斷口中均觀察到貝紋線，貝紋線是在疲勞過程中由于交變應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展，在裂紋源和瞬斷區(qū)之間形成像貝殼表面的同心圓弧線，裂紋前沿線的弧狀臺階痕跡像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線。其凹面指向疲勞源，凸面指向裂紋擴(kuò)展方向。圖2 中無損傷試樣宏觀斷口及內(nèi)表面微觀形貌中均觀察到貝紋線，且其凹面指向內(nèi)表面，凸面指向外表面。圖3、圖4、圖5 分別為圓形損傷、橫向刻槽、縱向刻槽試樣斷口，宏觀斷口及損傷根部均觀察到凹面指向損傷底部，凸面指向內(nèi)表面的貝紋線，并向管體內(nèi)表面擴(kuò)展。圖6 為表面修磨試樣疲勞斷口，從宏觀形貌中很難觀察到貝紋線，但在靠近試樣內(nèi)表面微觀形貌中發(fā)現(xiàn)明顯的貝紋線，并且貝紋線凹面指向內(nèi)表面，凸面指向外表面。說明對于無損傷試樣疲勞裂紋起裂于內(nèi)表面，并向外表面擴(kuò)展。外表面損傷試樣疲勞裂紋起裂于損傷底部，并向內(nèi)表面擴(kuò)展。表面修磨試樣疲勞裂紋起裂于試樣內(nèi)表面，并向外表面擴(kuò)展，與無損傷試樣相同。

圖2 無損傷試樣疲勞斷口形貌

圖3 圓形損傷試樣斷口形貌

圖4 橫向刻槽試樣斷口形貌

圖5 縱向刻槽試樣斷口形貌

圖6 表面修磨試樣斷口形貌

3 結(jié)果與討論

外表面機(jī)械損傷是引起疲勞裂紋過早產(chǎn)生，導(dǎo)致疲勞壽命降低的重要原因。當(dāng)連續(xù)油管外表面出現(xiàn)機(jī)械損傷時(shí)，在疲勞彎曲變形過程中損傷部位將出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中，使得疲勞裂紋優(yōu)先在該區(qū)域產(chǎn)生。隨著損傷深度的增加，應(yīng)力集中系數(shù)則更大，疲勞裂紋產(chǎn)生越容易，疲勞壽命降低越多。研究認(rèn)為[11]，連續(xù)油管疲勞壽命主要由裂紋萌生期所決定。由此進(jìn)一步說明管體損傷是導(dǎo)致疲勞裂紋過早產(chǎn)生引起連續(xù)油管疲勞壽命下降的主要原因。不同幾何形貌損傷的連續(xù)油管表現(xiàn)的疲勞循環(huán)壽命不同，是因?yàn)椴煌瑩p傷所引起的應(yīng)力集中大小不同。在所制備的損傷類型當(dāng)中，環(huán)向刻槽損傷引起疲勞壽命下降最多，說明該類損傷造成的應(yīng)力集中系數(shù)更高，疲勞裂紋產(chǎn)生更容易。李偉權(quán)等[12-13]采用有限元方法對外表面帶有環(huán)向和縱向刻槽的連續(xù)油管在內(nèi)壓和彎載荷共同作用下進(jìn)行模擬，也證明環(huán)向損傷引起應(yīng)力集中更高。因此，在僅考慮損傷幾何形貌對連續(xù)油管疲勞壽命的影響時(shí)，損傷所造成的應(yīng)力集中大小是其關(guān)鍵因素之一。

通過修磨可以很好地消除損傷引起的應(yīng)力集中，從而防止疲勞裂紋過早產(chǎn)生，對提高連續(xù)油管疲勞壽命有利。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在修磨深度不大于壁厚10%時(shí)，相對于帶同深度損傷的連續(xù)油管，疲勞壽命得到明顯提高，并且修磨后疲勞裂紋起裂于管體內(nèi)表面而不是修磨部位，說明合理的修磨不會造成過高的應(yīng)力集中而引起疲勞開裂。API 5C8 《連續(xù)油管保養(yǎng)及維護(hù)》 標(biāo)準(zhǔn)中指出，通過修磨可使連續(xù)油管的疲勞壽命恢復(fù)至相當(dāng)于壁厚與修磨后剩余壁厚相等的同規(guī)格和鋼級連續(xù)油管的疲勞壽命[14]，說明修磨后引起疲勞壽命的降低與壁厚減薄量有關(guān)。當(dāng)修磨深度大于壁厚15%時(shí)，試樣疲勞壽命降低至無損傷管疲勞壽命的36%的原因在于修磨造成的壁厚減薄量過大。在API 5ST 《連續(xù)油管規(guī)范》 標(biāo)準(zhǔn)中也同樣建議對剩余壁厚不小于規(guī)定壁厚90%的外表面缺陷或缺欠進(jìn)行修磨處理[15]。API 5C8 標(biāo)準(zhǔn)中提出對于深度大于規(guī)定壁厚15%的大部分損傷應(yīng)切除。可以看出，本試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定具有一致性。

本研究只進(jìn)行了幾個(gè)典型幾何尺寸的機(jī)械損傷對連續(xù)油管疲勞壽命影響的分析，雖然能夠表現(xiàn)出一定的規(guī)律，但是實(shí)際作業(yè)中管體產(chǎn)生的損傷形貌更為復(fù)雜，其對連續(xù)油管疲勞壽命的影響因素不僅包括幾何尺寸，而且還包括損傷在管柱上所處位置、作業(yè)載荷、連續(xù)油管鋼級和規(guī)格以及作業(yè)前連續(xù)油管累積疲勞循環(huán)次數(shù)等。因此，損傷對連續(xù)油管疲勞壽命影響的研究還需要在連續(xù)油管低周疲勞變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上充分結(jié)合損傷幾何形貌、作業(yè)載荷及連續(xù)油管性能等因素開展疲勞壽命試驗(yàn)及疲勞斷裂過程分析，掌握損傷對連續(xù)油管疲勞壽命的影響規(guī)律。同時(shí)，結(jié)合有限元等分析軟件建立力學(xué)分析模型評估損傷對作業(yè)造成的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測特定工況載荷條件下，損傷對作業(yè)安全及連續(xù)油管使用壽命的影響，以指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

此外，在作業(yè)過程中預(yù)防管體損傷的產(chǎn)生是提高連續(xù)油管作業(yè)安全和使用壽命的關(guān)鍵。這是因?yàn)榇蟛糠止荏w損傷是在作業(yè)進(jìn)行中產(chǎn)生的，不能及時(shí)得到有效修復(fù)從而成為作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。對此，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)過程管理，提高操作人員技能，減少操作失誤，制定合理的作業(yè)工藝、設(shè)置合理的作業(yè)安全系數(shù)，避免連續(xù)油管承受過高拉伸、壓縮、內(nèi)壓及外擠等載荷。還可以對連續(xù)油管涂抹潤滑油降低管體與井口設(shè)備、油套管之間的摩擦，在腐蝕工況作業(yè)時(shí)對管體注入緩蝕劑以減少腐蝕造成的管體壁厚損失。

4 結(jié) 論

（1）外表面機(jī)械損傷會造成連續(xù)油管疲勞壽命降低，并且隨著損傷深度的增加疲勞壽命降低更明顯。相對于其他損傷類型，環(huán)向刻槽損傷引起的疲勞壽命降低最為明顯。

（2）對深度為壁厚10%的損傷部位進(jìn)行合理修磨能夠有效提高管體疲勞壽命。

（3）對損傷深度為壁厚的10%的疲勞斷口分析結(jié)果表明，疲勞裂紋起裂于外表面機(jī)械損傷處，并向內(nèi)表面擴(kuò)展； 表面修磨試樣及無損傷試樣疲勞裂紋起裂于管體內(nèi)表面，并向外表面擴(kuò)展。

（4）實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)油管損傷對管體疲勞壽命的影響更為復(fù)雜，作業(yè)中應(yīng)加強(qiáng)管理和監(jiān)測，減少管體損傷從而確保作業(yè)安全。