CNG儲(chǔ)氣井強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究

曹志峰

（東營市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，山東 東營 257091）

目前國內(nèi)CNG加氣站多采用儲(chǔ)氣井等地下儲(chǔ)氣方式。儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)簡單，一般僅由套管和上下封頭組成，且制造、施工質(zhì)量無法保障，在螺紋連接處、井口裝置、閥門處易發(fā)生泄露，從而造成泄漏事故不斷。例如，2005年臨潼蘭天油氣合建站CNG儲(chǔ)氣井冒井；2006年重慶白馬蕩CNG加氣站泄露爆炸。2008年10月31日原國家質(zhì)檢總局發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)地下儲(chǔ)氣井安全監(jiān)察工作的通知》（質(zhì)檢辦特〔2008〕637號(hào)），確定由中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院開展儲(chǔ)氣井定期檢驗(yàn)試點(diǎn)工作。2014年4月10日質(zhì)檢總局《關(guān)于地下儲(chǔ)氣井安全監(jiān)察有關(guān)事項(xiàng)的公告》規(guī)定，儲(chǔ)氣井的定期檢驗(yàn)應(yīng)當(dāng)由經(jīng)核準(zhǔn)的具備相應(yīng)壓力容器定期檢驗(yàn)資格的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。為更好地促進(jìn)儲(chǔ)氣井定期檢驗(yàn)，文章對(duì)儲(chǔ)氣井強(qiáng)度評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析。

1 評(píng)價(jià)前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行儲(chǔ)氣井合于使用評(píng)價(jià)前，評(píng)價(jià)所需的各項(xiàng)檢驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)已獲取。評(píng)價(jià)所需的信息應(yīng)從現(xiàn)場記錄或檢驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告中提取，必要時(shí)可到現(xiàn)場提取相關(guān)信息。材料的常規(guī)物理性能和機(jī)械性能參量，以及強(qiáng)度評(píng)價(jià)、水壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)、固井水泥環(huán)評(píng)價(jià)以及加固評(píng)價(jià)所需的材料性能數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量采用實(shí)測(cè)值。在實(shí)測(cè)值無法取得的情況下，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考相應(yīng)的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)選取代用數(shù)據(jù)。當(dāng)材料牌號(hào)不清楚時(shí)，可選取同類材料的最低值。

2 破壞模式的確定

進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)前，應(yīng)判斷儲(chǔ)氣井的潛在破壞模式及其后果，并選擇相應(yīng)的評(píng)價(jià)計(jì)算方法。儲(chǔ)氣井常見的破壞模式有以下幾種。（1）受壓元件、部件金屬壁厚內(nèi)部或外部環(huán)境腐蝕，發(fā)生嚴(yán)重破損甚至穿透；（2）受壓元件、部件金屬受內(nèi)外部環(huán)境影響，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)生斷裂；（3）由于長期受循環(huán)載荷疲勞和腐蝕影響，螺紋連接強(qiáng)度減弱，接箍處發(fā)生滑脫；（4）螺紋連接密封面發(fā)生氣體泄漏；（5）由于頻繁充放氣引起儲(chǔ)氣井本體軸向伸縮，加上固井質(zhì)量較差或沒有固井，儲(chǔ)氣井失去應(yīng)有的約束力，整體出現(xiàn)明顯的上冒或下沉。

3 評(píng)價(jià)計(jì)算

評(píng)價(jià)人員應(yīng)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，評(píng)價(jià)計(jì)算中各步驟的計(jì)算結(jié)果應(yīng)具有不低于小數(shù)點(diǎn)后兩位的有效數(shù)字，各步驟內(nèi)的中間計(jì)算結(jié)果應(yīng)具有不低于小數(shù)點(diǎn)后三位的有效數(shù)字。評(píng)價(jià)人員應(yīng)保證計(jì)算結(jié)果的保守性，對(duì)于需要由經(jīng)驗(yàn)確定的數(shù)據(jù)，如沒有把握建議選用最保守值。評(píng)價(jià)人員應(yīng)注意評(píng)價(jià)結(jié)論的全面性，對(duì)于具有多種潛在破壞模式的問題，應(yīng)分別計(jì)算，一一評(píng)價(jià)。

4 強(qiáng)度評(píng)價(jià)

有下列情況之一的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)：（1）腐蝕深度超過腐蝕裕量；（2）名義壁厚不明；（3）檢驗(yàn)人員對(duì)強(qiáng)度有懷疑；（4）無設(shè)計(jì)圖紙。

強(qiáng)度評(píng)價(jià)應(yīng)遵循以下原則。（1）強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括①井管剩余壁厚評(píng)價(jià)；②疲勞評(píng)價(jià)；③井筒連接強(qiáng)度評(píng)價(jià)；④井筒螺紋抗泄漏能力評(píng)價(jià)。其中第③、④項(xiàng)僅當(dāng)檢驗(yàn)員對(duì)井筒連接強(qiáng)度或抗泄漏能力表示懷疑時(shí)進(jìn)行。（2）原設(shè)計(jì)已明確所用強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，可按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核；原設(shè)計(jì)沒有注明所依據(jù)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或者無強(qiáng)度計(jì)算的，原則上可以根據(jù)儲(chǔ)氣井的用途、結(jié)構(gòu)型式按當(dāng)時(shí)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。（3）剩余壁厚按實(shí)測(cè)最小值減去至下次檢驗(yàn)期的腐蝕量，作為強(qiáng)度校核的壁厚。（4）校核用壓力應(yīng)當(dāng)不小于儲(chǔ)氣井的實(shí)際最高工作壓力。

4.1 井管剩余壁厚評(píng)價(jià)

（1）井管剩余壁厚確定。按實(shí)測(cè)壁厚最小值減去至下次檢驗(yàn)期的腐蝕量，作為強(qiáng)度校核的壁厚。

式中：t2為校核壁厚，mm；t1為實(shí)測(cè)的壁厚最小值，mm；△t為至下次檢驗(yàn)期的腐蝕量，mm?！鱰應(yīng)根據(jù)腐蝕速率來確定，若無實(shí)測(cè)腐蝕速率數(shù)據(jù)，腐蝕速率一般根據(jù)開始使用時(shí)的壁厚與檢驗(yàn)實(shí)測(cè)最小壁厚之差和使用時(shí)間來計(jì)算確定（計(jì)算值）。如果進(jìn)行了土壤腐蝕性檢測(cè)，一般取腐蝕速率的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的大值（對(duì)于固井質(zhì)量優(yōu)良且井下8m膠結(jié)良好儲(chǔ)氣井，實(shí)測(cè)值按80%計(jì)）。

腐蝕速率計(jì)算值：

式中：t0為井管出廠時(shí)的壁厚（當(dāng)無當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)壁厚時(shí)，取名義壁厚），mm；T1為制造完成（以下套管日期計(jì)）到本次檢驗(yàn)的時(shí)間間隔，年；T2為當(dāng)前到下次檢驗(yàn)期的時(shí)間間隔，年；v為腐蝕速率，mm/年。

（2）壁厚校核。壁厚校核原則上采用設(shè)計(jì)中的壁厚計(jì)算公式進(jìn)行校核。如果設(shè)計(jì)資料缺乏，采用式（4）進(jìn)行。

式中：δ為計(jì)算壁厚，mm；p為工作壓力，MPa；D0為套管外徑，mm；Sm為材料許用應(yīng)力，MPa。當(dāng)規(guī)范中查不到該數(shù)據(jù)時(shí)，按《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）取σs/1.5與σb/2.6的較小值。對(duì)于井筒材料屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)，當(dāng)只能獲取Rt0.5或Rt0.6時(shí)，取Rt0.5/n5或Rt0.6/n6為校核用屈服強(qiáng)度σs。其中n5（n6）為屈服強(qiáng)度修正系數(shù)，依據(jù)該材料Rt0.5/Rp0.2（Rt0.6/Rp0.2）試驗(yàn)值按偏保守確定。

若t2＞δ，該儲(chǔ)氣井允許使用。否則，不允許在該工作壓力下繼續(xù)使用。若使用單位采取降低工作壓力的使用措施，則根據(jù)降低后工作壓力重新進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2 疲勞評(píng)價(jià)

參照《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行疲勞分析，分析部位應(yīng)包括井管、接箍、井筒螺紋。井管壁厚取剩余壁厚，壓力循環(huán)范圍應(yīng)取最低工作壓力到最高工作壓力。疲勞評(píng)價(jià)用S-N曲線取《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）附錄C的圖C-1（σb=703～896MPa對(duì)應(yīng)曲線），或井筒材料的試驗(yàn)疲勞曲線。

疲勞壽命能達(dá)到下次檢驗(yàn)日期為合格。

5 局部腐蝕減薄評(píng)價(jià)

5.1 適用條件

（1）當(dāng)儲(chǔ)氣井井筒材質(zhì)明確、材質(zhì)書內(nèi)容完整、未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)劣化或劣化傾向，并且斷后伸長率A大于18%、沖擊功（橫向）KV2大于41J時(shí)，儲(chǔ)氣井的最低工作溫度不低于-20℃，可采用本文方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。（2）本文評(píng)價(jià)方法適用于下列缺陷：①局部減薄缺陷（如局部腐蝕減?。?，且半長小于等于，但其周圍不得有裂紋等面型缺陷。②缺陷的深度C小于壁厚T的70%，且缺陷底部最小壁厚（T-C）不小于2mm。（3）其他說明：①當(dāng)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上腐蝕減薄缺陷時(shí)，若兩個(gè)腐蝕減薄缺陷邊緣最小間距大于較小腐蝕減薄缺陷的長軸，則將兩個(gè)減薄視為獨(dú)立的單個(gè)腐蝕減薄進(jìn)行評(píng)價(jià)，否則應(yīng)將兩個(gè)局部減薄合并為一個(gè)腐蝕減薄進(jìn)行評(píng)價(jià)。②評(píng)價(jià)所用材料參數(shù)，取材質(zhì)書中材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的材料性能下限值。③缺陷的規(guī)則化參照《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評(píng)定方法，H.6.1.1壁厚局部減薄缺陷的規(guī)則化執(zhí)行。

5.2 極限承載能力評(píng)價(jià)

采用《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評(píng)定方法或有限元方法對(duì)含腐蝕減薄的儲(chǔ)氣井井筒進(jìn)行極限承載能力評(píng)價(jià)。

（1）按照《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)價(jià)?？紤]儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)為長管狀的特點(diǎn)，依照《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評(píng)定方法將腐蝕減薄缺陷當(dāng)作直管體積型缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

①符號(hào)及取值說明。T為儲(chǔ)氣井評(píng)價(jià)計(jì)算壁厚，mm，取缺陷附近管道實(shí)測(cè)壁厚與至下一個(gè)檢驗(yàn)周期末的腐蝕量之差，腐蝕量宜根據(jù)實(shí)測(cè)腐蝕速率確定；R0為儲(chǔ)氣井管外半徑，mm；Ri為儲(chǔ)氣井管內(nèi)半徑，mm；σs為儲(chǔ)氣井管材料屈服強(qiáng)度，MPa；A為規(guī)則化之后的缺陷軸向半長，mm；a為無量綱化的缺陷相對(duì)軸向長度，無量綱；B為規(guī)則化之后的缺陷環(huán)向半長，mm；b為無量綱化的缺陷相對(duì)環(huán)向長度，無量綱；C為缺陷深度，mm，取實(shí)測(cè)最大減薄深度與至下一個(gè)檢驗(yàn)周期末體積缺陷擴(kuò)展量之和，擴(kuò)展量宜根據(jù)實(shí)測(cè)腐蝕速率確定；c為以評(píng)價(jià)計(jì)算壁厚無量綱化的相對(duì)深度，無量綱；nj為安全系數(shù)，取nj=2.0。

②評(píng)價(jià)計(jì)算。

若工作壓力P＜Pmax，則評(píng)價(jià)通過；否則，評(píng)價(jià)不通過。

（2）采用有限元方法評(píng)價(jià)。根據(jù)儲(chǔ)氣井的規(guī)格和局部腐蝕減薄缺陷尺寸，采用材料實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線（或假定材料為理想彈塑性），建立有限元模型進(jìn)行非線性有限元計(jì)算。以局部減薄部位的應(yīng)變作為變形變量，采用2倍彈性斜率準(zhǔn)則求取極限內(nèi)壓載荷PLF。若工作壓力，則評(píng)價(jià)通過；否則，評(píng)價(jià)不通過。

5.3 局部腐蝕減薄缺陷的疲勞分析

計(jì)算時(shí)施加的內(nèi)壓載荷為儲(chǔ)氣井工作壓力P（壓力循環(huán)的下限和上限），進(jìn)行線彈性有限元應(yīng)力分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大第三強(qiáng)度理論等效應(yīng)力（SINT）即為峰值應(yīng)力強(qiáng)度SV。假設(shè)每次充裝時(shí)，儲(chǔ)氣井壓力變化范圍的峰值應(yīng)力范圍為SV1～SV2，則可按式（14）計(jì)算峰值應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt：

查《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）得疲勞循環(huán)次數(shù)下允許的應(yīng)力幅值[Salt]，若Salt≤[Salt]，則評(píng)價(jià)通過，否則不通過。

6 結(jié)束語

文章根據(jù)對(duì)儲(chǔ)氣井失效形式的分析，提出了強(qiáng)度校核的方法，對(duì)儲(chǔ)氣井定期檢驗(yàn)提供了參考。儲(chǔ)氣井強(qiáng)度校核還有井筒連接強(qiáng)度校核、局部腐蝕減薄評(píng)價(jià)、極限承載能力評(píng)價(jià)、局部腐蝕減薄缺陷的疲勞分析等，需進(jìn)一步研究。