熱采井口裝置蠕變失效分析及試驗(yàn)研究

戴 京 戴義明 戴 兵 欒家宏

江蘇騰龍石化機(jī)械有限公司 江蘇鹽城 224500

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外熱采井口設(shè)備的故障研究狀況

熱采井口設(shè)備工作溫度高、壓力大，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽、石油等。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)周期長等問題，會(huì)給采油工作帶來了很大的工作難度。而在采油裝置實(shí)際使用的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)方面的問題：

（1）在注水蒸汽和采油過程中，由于介質(zhì)的侵蝕和沖刷磨損的破壞；（2）由于傳送介質(zhì)的壓力太高而引起的強(qiáng)度破壞；（3）該設(shè)備在熱、內(nèi)壓力的聯(lián)合作用下的強(qiáng)度破壞；（4）由于間歇性注水而導(dǎo)致的介質(zhì)壓力波動(dòng)和疲勞破壞；（5）熱采井口設(shè)備在高溫、高壓條件下發(fā)生的蠕變失效；（6）在蠕變疲勞相互作用下發(fā)生的破壞；（7）螺栓應(yīng)力松弛失敗。筆者從強(qiáng)度、疲勞、腐蝕、沖刷等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了分析。

1.2 國內(nèi)熱采井口裝置性能分析實(shí)例

（1）新疆石油技術(shù)研究院李斌等針對(duì)熱采井口設(shè)備的疲勞破壞問題，考慮到熱采井口設(shè)備在連續(xù)注蒸汽時(shí)，存在著壓力波動(dòng)造成的疲勞破壞現(xiàn)象，因此，針對(duì)當(dāng)前SAGD（蒸汽輔助重力開采）熱采井口設(shè)備的主要承壓構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并且利用SolidWorks 軟件建立了主要承壓構(gòu)件的三維模型，將其引入有限元系統(tǒng)軟件，并且計(jì)算了各承壓構(gòu)件的受力狀態(tài)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體分析，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工況條件下，主承壓構(gòu)件的最大應(yīng)力值會(huì)低于其承受的極限值，沒有出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的設(shè)備危險(xiǎn)。但由于主承壓構(gòu)件的交會(huì)點(diǎn)存在著較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以，研究人員針對(duì)SAGD 熱采井口設(shè)備的主承壓構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到熱采過程中各個(gè)方位的溫差對(duì)熱采設(shè)備熱應(yīng)力的影響，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的模擬計(jì)算。

（2）西南石油大學(xué)楊振東等對(duì)雙管熱采井口設(shè)備的主要承壓構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度和疲勞分析，開展了相應(yīng)的測試模擬研究，得出了試驗(yàn)工況下的最大應(yīng)力及最長壽命，并且對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已驗(yàn)證其設(shè)備的安全可靠，并在一定程度上提高了主承壓構(gòu)件的使用壽命。

（3）宋樹權(quán)、鹽城工學(xué)院周海、江蘇大學(xué)龔凱等按生產(chǎn)技術(shù)需求，研制出了一套雙管式注氣式井口裝置，并且運(yùn)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度、疲勞性能的分析，得出了六通管頭的孔徑和壁厚的合理值，低于或高于此值，將使其強(qiáng)度下降，或使其疲勞損害加重。

（4）中海油王俊姬琦等對(duì)熱采井口設(shè)備常用的30 CrMo、lCrl3 進(jìn)行了腐蝕規(guī)律的研究，并與采礦工程院的宋曉峰，通過對(duì)渤海某油田井口設(shè)備發(fā)生的水蒸氣吞吐時(shí)發(fā)生的井下管柱腐蝕破裂現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并據(jù)此改進(jìn)了相應(yīng)的工藝措施，降低了井下的安全隱患，提高了采收率。

2 蠕變?cè)囼?yàn)及蠕變模型的建立

由于材料的蠕變特性是影響高溫設(shè)備使用壽命的重要因素，利用蠕變?cè)囼?yàn)得到了30 CrMo 熱采井口設(shè)備材料的蠕變特性，并且對(duì)其進(jìn)行了擬合和分析，得到了30 CrMo 在390℃時(shí)的蠕變模型參數(shù)。

2.1 30 CrMo 熱采井口設(shè)備材料的蠕變?cè)囼?yàn)研究

為了得到30 CrMo 30 CrMo 在390℃時(shí)的蠕變特性，在390℃時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行4 種不同的應(yīng)力條件下的單軸蠕變拉伸試驗(yàn)，其應(yīng)力值與設(shè)備承受的最大應(yīng)力以及390℃時(shí)的30 CrMo 屈服強(qiáng)度。為了確保試驗(yàn)的精確度，3 個(gè)試驗(yàn)都要重復(fù)進(jìn)行，以求精確。

為了得到390℃的30 CrMo 屈服強(qiáng)度，首先對(duì)其進(jìn)行了390℃的拉伸試驗(yàn)，并對(duì)同一批次的φ25 圓鋼進(jìn)行了熱采井口設(shè)備生產(chǎn)的φ5 高溫拉伸試件，并根據(jù)GB/ T228.2- 2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。最后得出了30 CrMo 材料的屈服強(qiáng)度646MPa、38.5%的延伸率、53%的斷面收縮率和177.1GPa 的彈性模量。

通過對(duì)熱采井口設(shè)備的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出了該設(shè)備在現(xiàn)場工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力值為175MPa。另外，從熱采井口設(shè)備同一批次生產(chǎn)φ5 蠕變?cè)嚇樱?90℃進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，根據(jù)GB/ T2039- 2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》，其4 項(xiàng)測試應(yīng)力分別是設(shè)備最大應(yīng)力175MPa、0.7MPa、380MPa、0.9MPa。材料42CrMo 蠕變?cè)囼?yàn)條件為：直徑10mm；標(biāo)距50mm；溫度390℃；應(yīng)力570MPa；時(shí)間30h。

2.2 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果是通過對(duì)390℃和常溫390℃的拉伸試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)在390℃條件限制下，42CrMo 的屈服強(qiáng)度降低了20%，拉伸強(qiáng)度降低了146%，伸長率提高了9.5%，截面縮窄率提高了8%，彈性模量降低了15%。在高溫條件下，由于螺栓材料的彈性模量降低，在同樣的應(yīng)力條件下，螺栓的預(yù)壓應(yīng)力會(huì)大幅降低，從而引起螺栓的松弛。這是由于在同一應(yīng)力比水平下，試驗(yàn)中的溫度升高幅度越大，而溫度升高的速度越慢。

2.3 熱采井口裝置材料30CrMo 蠕變模型的建立

目前國內(nèi)的蠕變模型種類頗多，其中主要包括Nortonbailey 模型，時(shí)間強(qiáng)化模型，Graham 模型，復(fù)合時(shí)間強(qiáng)化模型等，這些模型都能反映出蠕變的應(yīng)力、溫度和時(shí)間的函數(shù)，其中復(fù)合時(shí)間強(qiáng)化模型的具體公式如式（1）。

在方程式（1）中，主要用c1～c7來表示材料的蠕變變形現(xiàn)象，并利用c1～c7作為擬合參數(shù)，其中c1＞0，c5＞0，T表示操作溫度（℃）。

利用Origin 數(shù)據(jù)處理程序，將30 CrMo 在390℃和4 種不同應(yīng)力條件下的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性擬合，結(jié)果表明，在同一溫度條件下，與溫度有關(guān)的參數(shù)c4=0，c7=0。最后得出了30 CrMo 合金在390℃時(shí)的復(fù)合時(shí)間增 強(qiáng) 模 型 參 數(shù) 為c1=1.33x10- 11，c2=2.36，c3=- 0.81，c4=0，c5=3.58x10- 15，c6=1.9，c7=0。

為檢驗(yàn)30 CrMo 合金在390℃下的復(fù)合時(shí)間增強(qiáng)模型參數(shù)的精確性，采用了390℃，460MPa，15h 的蠕變驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在15h 內(nèi)，試件的蠕變應(yīng)變?yōu)?.46%；采用擬合方法，得到了相同條件下，在相同條件下，試樣的蠕變應(yīng)變?yōu)?.395%，誤差為14.1%，低于15%。結(jié)果表明，該模型能較好地反映出30 CrMo 在390℃時(shí)的蠕變行為。

3 現(xiàn)場工況下熱采井口裝置的蠕變失效分析

由于蠕變?cè)囼?yàn)具有單一洗凈，試驗(yàn)針對(duì)目標(biāo)僅用于分析單軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變破壞，因此，在實(shí)際工作中，該裝置處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，無法反映出設(shè)備的各種工作狀況。利用有限元分析軟件AnsysWorkbench 對(duì)熱采井口設(shè)備主要承壓構(gòu)件的蠕變破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過仿真計(jì)算得到了2 種工作狀態(tài)下的蠕變。

3.1 熱采井口設(shè)備的材質(zhì)指標(biāo)與故障評(píng)估

（1）熱采井口裝置主要包括四通油管、小四通、主通徑、側(cè)向注氣閥等，其工作溫度為390℃，壓力21MPa，以水蒸汽作為輸送介質(zhì)，適用于稠油的抽采。

（2）失效評(píng)定依據(jù)是法蘭密封失效機(jī)理。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，熱采井口設(shè)備容易發(fā)生故障，其失效形式為法蘭密封。要求法蘭滿足以下密封性條件是在密封件表面最小的壓緊力不得低于襯套的比壓，避免會(huì)引起介質(zhì)的滲漏。主通直徑閥門法蘭的密封壓力公式為式（2）。

式中：P0——密封比壓；

M——八邊形的密封圈系數(shù)；

P——實(shí)際工作條件下的最大工作壓力。

熱采井口裝置所有法蘭的密封比壓為169MPa，而八邊形金屬密封環(huán)的密封系數(shù)是6.5，熱采井口裝置的極限工作壓力是26MPa。因此，為了保證熱采井口裝置不發(fā)生故障，法蘭的最小壓力應(yīng)大于169MPa。

3.2 熱采井口設(shè)備在恒溫恒載狀態(tài)下的蠕變失效分析

主承壓件作為熱采井口設(shè)備各個(gè)部件中較為重要的部件，也是容易發(fā)生故障的部件。在熱采井口設(shè)備中，有2個(gè)主要的承壓部件，一個(gè)是主通徑和一個(gè)側(cè)面的充氣閥。通過對(duì)熱采井主通徑和側(cè)向注氣閥的蠕變失效進(jìn)行了研究，得到了在恒溫、恒載條件下，主通徑和側(cè)向注氣閥的蠕變失效時(shí)間。主通徑閥門徐變破壞原因：

(1) 主通徑閥的有限元計(jì)算與邊界條件，采用熱—結(jié)構(gòu)耦合模型，模擬計(jì)算了主通徑閥門的蠕變失效。為了提高計(jì)算效率，對(duì)熱采井設(shè)備主通徑閥門進(jìn)行了簡單的簡化，省略了無關(guān)部件，只對(duì)主通徑閥門的主承壓構(gòu)件進(jìn)行了分析。

(2) 主通徑閥門在恒溫恒載狀態(tài)下的蠕變計(jì)算分析。在15000h 內(nèi)，主通徑閥門在法蘭密封槽內(nèi)的最大蠕變應(yīng)變?yōu)?.14%。位于法蘭密封槽處，主通徑閥門最大蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化如表1 所示。

表1 主通徑閥門最大蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化

從仿真結(jié)果可以看到，在熱采井口裝置的主通徑閥門法蘭密封槽的最小壓力低于密封比壓力，在使用6640h（276d）后，會(huì)產(chǎn)生泄漏，從而導(dǎo)致介質(zhì)失效。同時(shí)，在高溫、高壓注氣循環(huán)期間，主通徑法蘭的壓力隨著時(shí)間的推移而逐漸降低，在常溫、常壓下，壓力不會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。

3.3 熱采井口設(shè)備的蠕變失效分析時(shí)間的測定

從實(shí)際應(yīng)用中考慮到熱采井口設(shè)備在現(xiàn)場的安全性，提出了采用失效安全系數(shù)的方法來確定熱采井口設(shè)備在現(xiàn)場工作狀態(tài)下的較短使用壽命。同時(shí)，根據(jù)ASMENH3225- 1 的規(guī)定，在高溫環(huán)境下長期運(yùn)行，其失效安全系數(shù)應(yīng)該乘以屈服強(qiáng)度衰減系數(shù)，由于ASMENH3225- 1 中沒有30 CrMo 的屈服強(qiáng)度衰減系數(shù)，因此，采用同一材質(zhì)，其屈服強(qiáng)度減小系數(shù)為1，并在安全系數(shù)為1.5×1=1.5 的前提下，經(jīng)檢驗(yàn)試驗(yàn)，其誤差約為15%。，所以可以得出熱采井口裝置密封失效安全系數(shù)為1.5/ (1- 1.15)=1.765。

4 結(jié)語

采用熱采井口設(shè)備的拉伸、蠕變?cè)囼?yàn)等方法，對(duì)其進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，并利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了分析，得到了現(xiàn)場工作條件下各主要承壓構(gòu)件蠕變失效的時(shí)間，主要的試驗(yàn)結(jié)論為：

（1）對(duì)螺栓材料42 CrMo 進(jìn)行了常溫、高溫390℃的拉伸試驗(yàn)，最后比較表明，在390℃高溫時(shí)，螺栓材料42 CrMo 的強(qiáng)度明顯降低，而塑性則有較大幅度的提高。

（2）在390℃高溫條件下，對(duì)42 CrMo 進(jìn)行了蠕變和應(yīng)力松弛試驗(yàn)，結(jié)果表明，在現(xiàn)場工作條件下，由蠕變引起的塑性變形取代了彈性，并且隨著時(shí)間的推移，螺栓會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛。

（3）對(duì)熱采井口裝置的主要承壓構(gòu)件進(jìn)行了連續(xù)載荷作用下的蠕變破壞分析，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)載荷作用下，主通徑閥門至少失效14 個(gè)循環(huán)，而側(cè)向注氣閥至少在19 個(gè)循環(huán)后發(fā)生故障。