含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度研究

朱加強，寧　明，袁金雷，范永佳，毛玉林，崔汝東，史交齊，王　軍

（1.中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆 輪臺 841600；2.中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處商檢所，陜西 咸陽 712000；3.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度研究

朱加強1，寧明2，袁金雷1，范永佳1，毛玉林1，崔汝東1，史交齊3，王軍3

（1.中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆 輪臺 841600；2.中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處商檢所，陜西 咸陽 712000；3.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

采用理論分析和實物評價試驗相結(jié)合的方法，研究了含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。結(jié)果表明：腐蝕坑深度對油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對抗外壓擠毀性能的影響次之，對抗拉性能的影響最小；采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預(yù)測含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。

油管；腐蝕；剩余強度；抗拉強度；抗擠強度；圓錐形腐蝕坑；腐蝕坑深度

隨著油田開發(fā)進入中后期，油氣井腐蝕損壞問題日益嚴(yán)重，成為困擾石油開采工業(yè)的一大難題。油管一旦發(fā)生腐蝕，將會降低油管的力學(xué)性能，甚至引發(fā)油管斷落入井的腐蝕事故［1-2］。目前，國內(nèi)外針對油管腐蝕損壞開展了大量研究，但主要集中在油管腐蝕機理和防護技術(shù)方面，對于油管腐蝕后的剩余強度研究較少［3-7］。開展油管腐蝕后的剩余強度研究，對于降低油管使用風(fēng)險，延長油氣井生產(chǎn)壽命具有重要意義。

據(jù)統(tǒng)計，油管腐蝕坑形態(tài)主要分為球形、橢球形、圓錐形和圓柱形4種［8-11］。本文首先對舊油管的實物性能進行綜合評價，然后通過均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對含圓錐形腐蝕坑舊油管的剩余強度進行計算，最后將3種方法的計算結(jié)果與實物性能進行對比，建立一種實用的舊油管剩余強度預(yù)測模型。

1　舊油管實物性能評價

采用游標(biāo)卡尺、測厚儀及腐蝕坑深度測量儀對12根Φ88.9 mm×6.45 mm 110鋼級舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進行測量，并在復(fù)合載荷試驗機上對其整管抗拉性能進行測試。12根舊油管的幾何尺寸及拉伸試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出：腐蝕坑深度占名義壁厚的百分比為15%~28%，油管的抗拉強度與最大腐蝕坑深度占名義壁厚百分比之間并不遵循嚴(yán)格的反比關(guān)系。例如，腐蝕坑深度占比為15%的11Y油管，其抗拉強度為1 368.6 kN，反而低于腐蝕坑深度占比為28%的3Y油管的抗拉強度。

表1　12根舊油管的幾何尺寸及拉伸試驗結(jié)果

對13根Φ88.9 mm×6.45 mm 110鋼級舊油管的幾何尺寸及腐蝕坑深度進行測量，并在內(nèi)壓爆破試驗機上對舊油管的抗內(nèi)壓爆破性能進行評價。13根舊油管的幾何尺寸及內(nèi)壓失效試驗結(jié)果見表2。從表2可以看出：13根舊油管的內(nèi)壓失效壓力均滿足APIBull 5C2—1999《套管、油管和鉆桿使用性能》［12］標(biāo)準(zhǔn)要求（96.3 MPa），最大值較最小值高出44.0%。內(nèi)壓失效壓力最大的舊油管，其腐蝕坑深度占名義壁厚的17%；內(nèi)壓失效壓力最小的舊油管，其腐蝕坑深度占名義壁厚的57%。5Z的厚徑比（t/D）較4Z高出12.5%，但最大腐蝕坑深度較4Z高出2.66 mm，因此內(nèi)壓失效壓力反較4Z低2.1 MPa；9Z的t/D較4Z高出19.3%，最大腐蝕坑深度相近，所以內(nèi)壓失效壓力較4Z高33.7MPa。其余樣管的腐蝕坑深度與內(nèi)壓失效壓力值也呈較好的反比關(guān)系。這在一定程度上（因影響套管的內(nèi)壓性能因素較多，比如屈服強度、t/D等）說明舊油管的抗內(nèi)壓性能與腐蝕坑深度關(guān)系較大。

對13根Φ88.9 mm×6.45 mm 110鋼級舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進行測量，并在外壓擠毀試驗機上對舊油管的抗外壓擠毀性能進行評價。13根舊油管的幾何尺寸及外壓擠毀試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出：13根舊油管的抗外壓擠毀性能差異很大，其中有7根（占53.8%）不滿足APITR 5C3—2008［13］標(biāo)準(zhǔn)要求（93.3 MPa），最大為123.1 MPa（超出標(biāo)準(zhǔn)要求31.9%），最小僅為11.9 MPa（較標(biāo)準(zhǔn)要求值低81.4 MPa），但其余樣管的腐蝕坑深度與抗擠強度之間并不嚴(yán)格遵循反比關(guān)系，這是因為影響油管抗外壓擠毀性能的因素較多，比如屈服強度、殘余應(yīng)力、外徑不圓度、壁厚不均度、t/D等。

綜上所述，38根Φ88.9mm×6.45mm 110鋼級舊油管的最大壁厚為7.73 mm，最小壁厚僅為3.73 mm，相差107%；最大外徑為89.90 mm，最小外徑為85.00mm，相差6%。影響管體抗拉強度的因素主要為材料的抗拉強度、外徑及壁厚；影響管體抗內(nèi)壓強度的因素主要為材料的屈服強度、外徑及壁厚；影響管體抗擠強度的因素主要為材料的屈服強度、外徑、壁厚、殘余應(yīng)力等。該批舊油管實物性能的評價主要考慮了腐蝕對外徑和壁厚的影響，得出腐蝕坑深度對油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對抗外壓擠毀性能的影響次之，對抗拉性能的影響最小。此外，在測量了31根舊油管表面的腐蝕坑尺寸后發(fā)現(xiàn)，該批舊油管腐蝕坑深度占名義壁厚超過30%的根數(shù)占總抽檢根數(shù)的16%；因此，均勻壁厚腐蝕法和腐蝕坑均勻排布法均以腐蝕坑深度占30%名義壁厚的樣管進行分析，可以代表該批80%以上舊油管的剩余強度現(xiàn)狀。

表2　13根舊油管的幾何尺寸及內(nèi)壓失效試驗結(jié)果

表3　13根舊油管的幾何尺寸及外壓擠毀試驗結(jié)果

2　舊油管剩余強度理論分析

采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對舊油管的剩余強度（包括抗拉強度、抗內(nèi)壓強度、抗擠強度）進行理論計算，并將以上3種理論計算結(jié)果與實物性能進行對比，選擇一種理論模型作為含腐蝕缺陷油管剩余強度的預(yù)測模型。

（1）均勻壁厚腐蝕法。

均勻腐蝕也叫全面腐蝕，即腐蝕分布在整個金屬表面上，從重量來說，均勻腐蝕代表了腐蝕對舊油管的最大破壞。以Φ88.90 mm×6.45 mm油管為例，對于腐蝕坑最大深度為30%名義壁厚的多點腐蝕或均勻腐蝕來說，強度計算公式中的壁厚采用4.52mm，實際外徑采用85.04mm。

（2）概率分布法。

對該批舊油管外表面的腐蝕坑深度進行測量，計算出腐蝕坑的平均深度為1.21 mm，按此平均值進行強度計算。以Φ88.90mm×6.45 mm油管為例，腐蝕坑平均深度占名義壁厚厚度的18.8%，則強度計算公式中的實際壁厚采用5.24 mm，實際外徑采用86.48mm。

（3）腐蝕坑均勻排布法。

假設(shè)腐蝕坑形狀完全相同，均為圓錐形，且均勻分布在油管外表面，腐蝕坑均勻排布如圖1所示；任意選取一個腐蝕坑截面，其計算模型如圖2所示。

圖1　腐蝕坑均勻排布示意

圖2　任意一個腐蝕坑的計算模型

截面上任意一個腐蝕坑的面積S損失與截面上腐蝕坑的總面積S總損失的計算見公式（1）~（2）：

油管外徑D取88.9mm，腐蝕坑深度h取1.935 mm（名義壁厚的30%），腐蝕坑直徑b取25 mm（該批油管實測平均腐蝕坑直徑）；考慮腐蝕坑引起的壁厚損失，則S損失=31.8（mm2），S總損失=350.1（mm2），S剩余=S腐蝕前面積-S總損失=1 319.7（mm2）。根據(jù)S剩余=D/2-t等效可推算出油管的有效壁厚t等效為5.01mm。

（4）實物性能（3σ準(zhǔn)則）。

3σ準(zhǔn)則是先假設(shè)一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個區(qū)間，認(rèn)為凡超過這個區(qū)間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。采用3σ準(zhǔn)則對實物試驗數(shù)據(jù)進行處理，并取μ-3σ值作為實物試驗預(yù)測值。

式中 σ—標(biāo)準(zhǔn)差；

μ—均值；

n—測量次數(shù)。

以拉伸試驗為例，將拉伸試驗數(shù)據(jù)（表1）代入公式（3），計算的標(biāo)準(zhǔn)差σ為110.5 kN，平均值為1 440 kN，則μ-3σ值為1 109 kN。

2.1含腐蝕坑舊油管抗拉強度分析

采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對舊油管的抗拉強度進行理論計算，管體抗拉強度的計算見公式（4），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對實物拉伸試驗數(shù)據(jù)（表1）進行處理，結(jié)果見表4。從表4可以看出：在3種舊油管的抗拉強度理論計算中，采用均勻壁厚腐蝕法計算出來的抗拉強度最小，采用概率分布法計算出來的抗拉強度最大，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗拉強度介于前兩者之間。其中，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗拉強度與實物性能最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測舊油管的抗拉強度。

P1=0.785 4（D2-d2）Y1（4）

式中 P1——管體抗拉強度，kN；

D——實際外徑，mm；

d——實際內(nèi)徑，mm；

Y1——材料實際抗拉強度，MPa。

2.2含腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓強度分析

采用均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對舊油管的抗內(nèi)壓強度進行理論計算，抗內(nèi)壓強度的計算見公式（5），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對實物內(nèi)壓至失效試驗數(shù)據(jù)（表2）進行處理，結(jié)果見表5。從表5可以看出：采用均勻壁厚腐蝕法計算出來的抗內(nèi)壓強度最小，采用概率分布法計算出來的抗內(nèi)壓強度最大，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗內(nèi)壓強度介于前兩者之間。其中，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗內(nèi)壓強度與實物抗內(nèi)壓性能最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測舊油管的抗內(nèi)壓強度。

表4　含腐蝕坑舊油管抗拉強度計算結(jié)果

P2=0.875（2Y2t/D）（5）

式中 P2——抗內(nèi)壓強度，MPa；

Y2——材料實際屈服強度，MPa；

t——實際壁厚，mm。

表5　含腐蝕坑舊油管抗內(nèi)壓強度計算結(jié)果

2.3含腐蝕坑舊油管抗擠強度分析

根據(jù)均勻壁厚腐蝕法、概率分布法及腐蝕坑均勻排布法對舊油管的抗擠強度進行理論計算，擠壓強度的計算見公式（6），并依據(jù)3σ準(zhǔn)則對實物外壓擠毀試驗數(shù)據(jù)（表3）進行處理，計算結(jié)果見表6。從表6可以看出：在3種舊油管的抗擠強度理論計算中，采用均勻壁厚腐蝕法計算出來的抗擠強度最小，概率分布法計算出來的抗擠強度最大，腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗擠強度介于前兩者之間。采用3種理論計算方法得到的抗擠強度均較實物試驗結(jié)果（見表3，依據(jù)3σ準(zhǔn)則）大。這是因為3σ準(zhǔn)則是以測量次數(shù)充分大為前提的，而且對正態(tài)或近似正態(tài)分布的樣本數(shù)據(jù)處理最有效，本次抽檢的13根Φ88.9 mm×6.45 mm 110鋼級舊油管抗擠強度離散度較高，不符合正態(tài)分布要求，不適用于3σ準(zhǔn)則，因此采用實物抗擠強度平均值與3種理論計算方法進行對比。對比結(jié)果表明：腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗擠強度與實物抗擠強度平均值（94.5MPa）最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預(yù)測舊油管的抗擠強度。

式中 P3——抗擠強度，MPa；

Y3——材料實際屈服強度，MPa；

A、B、C——經(jīng)驗參數(shù)；其中，A=0.026 233+ 0.506 09×10-6Y3，B=2.8762+0.106 79×10-5Y3×0.213 01× 10-10Y32-0.531 32×10-16Y33，C=-465.93+0.030 867Y3-0.104 83×10-7Y32-0.369 89×10-13Y33。

表6　含腐蝕坑舊油管抗擠強度計算結(jié)果

3　討　論

均勻壁厚腐蝕法事先假定腐蝕分布在整個金屬外表面，按實測的最大腐蝕坑深度作為壁厚損失量，然后以此壁厚進行強度計算，因此代表了最苛刻的腐蝕狀態(tài)；概率分布法是對油管外表面的腐蝕坑深度進行概率統(tǒng)計分析，計算腐蝕坑的平均深度，然后以此平均值作為壁厚損失量進行強度計算；腐蝕坑均勻排布法是預(yù)先假設(shè)腐蝕坑形狀均為圓錐形，且均勻分布在油管外表面，然后按實際面積推算油管剩余壁厚，并計算剩余強度。

油管抗拉強度與其有效承載面積關(guān)系較大，因此，當(dāng)以均勻腐蝕為主要腐蝕方式時，采用均勻壁厚腐蝕法進行油管的剩余抗拉強度計算較為準(zhǔn)確；當(dāng)以點腐蝕為主時，應(yīng)該采用腐蝕坑均勻排布法進行抗拉強度的計算。油管的抗內(nèi)壓強度對腐蝕坑較為敏感，在有嚴(yán)重腐蝕坑存在的情況下，油管會未破先漏，因此宜用腐蝕坑均勻排布法進行抗內(nèi)壓強度的計算；只有在腐蝕較為均勻或較輕時，才會發(fā)生膨脹開裂，此時用均勻壁厚法預(yù)測最小抗內(nèi)壓強度較為合適。t/D是影響油管抗擠強度的一個重要因素，因此當(dāng)以均勻腐蝕為主時，宜用均勻壁厚腐蝕法進行油管的剩余抗擠強度計算。而當(dāng)發(fā)生的是點腐蝕時，應(yīng)該采用腐蝕坑均勻排布法進行剩余抗擠強度的計算。

4　結(jié)　論

（1）單個腐蝕坑深度對舊油管的抗內(nèi)壓失效性能影響最大，對抗外壓擠毀性能的影響次之，對拉伸性能的影響最小。

（2）采用腐蝕坑均勻排布法能較好地預(yù)測含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。

［1］周巍.油管判廢技術(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［2］李鶴林.石油管工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［3］梅振紅.注水油管內(nèi)防腐工藝技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2014.

［4］王軍，畢宗岳，張勁楠，等.油套管腐蝕與防護技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.焊管，2013，36（7）：59-64.

［5］姚紅燕.油水井油管的腐蝕與防護措施研究［D］.東營：中國石油大學(xué)，2007.

［6］程嘉瑞.油管接箍液固兩相流體沖刷腐蝕特性研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2014.

［7］呂志利.油管內(nèi)外噴砂流場特性及噴砂參數(shù)優(yōu)化研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2010.

［8］張勇，彭旭，黃濤，等.球形腐蝕坑油管下入彎曲井段安全性評價［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，36（5）：526-531.

［9］顏力，廖柯熹，蒙東英，等.基于點蝕缺陷分形特征的剩余強度評價［J］.油氣儲運，2008，27（11）：43-45.

［10］周思柱，何迪，呂志鵬.用有限元方法研究含缺陷油管失效判據(jù)［J］.石油礦產(chǎn)機械，2006，35（6）：19-22.

［11］李躍宇，劉樹春，汪冰，等.用ABAQUS進行彈塑性問題的分析［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報，2004，13（3）：18-21.

［12］American Petroleum Institute Press.API Bull 5C2—1999 Bulletin for performance properties of casing，tubing，and drill pipe［S］.1999.

［13］American Petroleum Institute Press.APITR 5C3—2008 Technical report onequations andcalculations for casing，tubing，and line pipe used as casing or tubing，and performance properties tables for casing and tubing［S］.2008.

●簡訊

太原通澤重工有限公司提供的新型Ф114mm精密縱軋均整機組投產(chǎn)［發(fā)布日期：2016-06-09］2016年6月9日，太原通澤重工有限公司為無錫江南高精度冷拔管有限公司提供的Ф114mm精密縱軋均整機組順利完成調(diào)試并投入生產(chǎn)。該機組的主要設(shè)備包括：管坯步進加熱爐、小輾軋角臥式穿孔機、帶液壓保護裝置的3機架兩輥縱軋均整機、單獨傳動的脫管減徑機。其中，3機架兩輥縱軋均整機為國內(nèi)首創(chuàng)，設(shè)備調(diào)整全數(shù)字化，運行全自動化，產(chǎn)品精度可滿足市場的特殊要求。該機組可生產(chǎn)的產(chǎn)品品種包括油管、低中壓鍋爐管、高壓鍋爐管、流體輸送用管、結(jié)構(gòu)用無縫鋼管等，產(chǎn)品規(guī)格為Ф60.0～114.3mm×4.5～15.0mm×6 500～11 500mm。（太原通澤重工有限公司冀文生）

Research on Residua l Streng th of Tubing Bearing Conical Corrosion Pits

ZHU Jiaqiang1，NINGMing2，YUAN Jinlei1，F(xiàn)AN Yongjia1，MAO Yulin1，CUIRudong1，SHIJiaoqi3，WANG Jun3
（1.Material Supply Management Centre，Sinopec NorthwestOilfield Branch，Luntai 841600，China；2.Commodity Inspection Institute affiliated to Material Supply Department，CNPC Changqing Oilfield Branch，Xianyang 712000，China；3.Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China）

Based on relevant theoretical analysis and physical evaluation test of the tubing，the residual strength of the tubing bearing conical corrosion pits is studied in this paper.The result shows that the depth of the corrosion pitmostly affects the failure performance of the tubing to resistagainst the internal pressure，less affects the tubing’s collapse resistance against the external pressure，and at the leastaffects the tubing’s tensile property.Employmentof the corrosion pit uniform distributionmethod can better predict residual strength of the said tubing.

tubing；corrosion；residual strength；tensile strength；anti-collapse strength；conical corrosion pit；corrosion pit depth

TG113.25+1；TG335.7!!

B!

1001-2311（2016）03-0062-06

朱加強（1967-），男，高級工程師，主要從事石油裝備的研究和技術(shù)管理工作。

（2015-09-15；修定日期：2015-11-24）