“石油管工程”的内涵及主要研究领域

李鹤林 张冠军 杜 伟

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)



·综 述·

“石油管工程”的内涵及主要研究领域

李鹤林 张冠军 杜 伟

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

文章阐述了“石油管工程”的内涵及其与“材料科学与工程”四面体的关系。在此基础上，论述了“石油管工程”的主要技术领域，包括：石油管的力学行为、石油管的环境行为、石油管材料的服役性能与成分/结构、合成/加工、性质的关系，以及石油管失效规律与失效的预测预防。

石油管工程；服役条件；服役性能；失效抗力指标

0 引 言

石油工业是大量使用石油管的工业。我国每年消耗石油管500多万吨，耗资达400多亿元。过去，石油管工程应用和应用基础方面的技术问题未引起足够重视。1981年，原石油部成立了石油管材试验研究中心，其主要任务之一是进行石油管重大事故的失效分析，每年完成钻具和油、套管失效分析50～60项。随着石油工业技术的发展，不断出现石油管工程应用方面急需解决的一些深层次问题，首要的是深入研究石油管服役行为及相应的失效机理和规律。石油管的服役行为包括力学行为、环境行为及两者的复合。1988年初，石油管材试验研究中心划为石油工业部直属科研机构(先后更名为石油管材研究所、石油管工程技术研究院)，即在原有的失效分析及预防等研究室的基础上，增加了管柱与管线力学研究机构和腐蚀与防护研究机构。几年后，又增加了安全评价研究机构，专门从事石油管的适用性评价、风险管理的基础研究。30年来的实践，使石油管的应用基础研究形成了石油管的力学行为、石油管的环境行为、石油管失效的诊断及预测预防几个领域，并成为有机的整体，我们将其概括为“石油管工程”[1]。

“石油管工程”致力于研究不同服役条件下石油管的力学行为和环境行为，石油管的失效规律、机理及克服失效的途径。其最终目的是提高石油管服役的安全可靠性，延长使用寿命，最大限度避免或减少失效事故，提高石油工业的整体效益。

国外石油公司很重视管柱与管线力学、腐蚀与防护、失效分析及预测预防、适用性评价和风险管理等领域的应用基础研究，具有相当的深度和广度。在技术交流中，许多国外学者对于我们的工作，特别对我们把这些领域作为有机整体，提出了“石油管工程”的新概念，表示赞赏。

1 “材料科学与工程”四面体的启示

20世纪60年代初，美国的Cohen教授在提倡建立“材料科学与工程”学科时，为形象地说明这个学科的内涵，把材料的成分/结构、合成/加工、性质(Properties)、服役性能(Performance)画成一个四面体[2]，如图1所示。前三者构成底面的三角形，后者是四面体的顶点。Cohen的“四面体”突出和强调在特定服役条件下材料的服役性能。国际材料科学界对Cohen教授的“四面体”模式有极高的评价，认为它推动了材料科学和相关的航空、航天与装备制造业突飞猛进的发展，具有里程碑的意义。

图1 “材料科学与工程”四面体

Cohen教授“材料科学与工程”四面体的内涵有两个方面：(1)某一机件的材料，要从服役条件出发，确定材料需要具备的服役性能；(2)研究该服役性能与材料的成分/结构、合成/加工、性质(材料的基本性能)的关系。

其实，西安交通大学周惠久院士早在上世纪50年代就提出了“从服役条件出发”的学术思想。周先生在他的《金属材料强度学》等著作中强调指出：“从一种机件或构件的具体服役条件出发，通过典型的失效分析，找出造成材料失效的主导因素，确立衡量材料对此种失效抗力的判据(即相应的强度性能指标)，据此选择最合适的材料成分、组织、状态及相应的加工、处理工艺，从材料的角度保证机件的短时承载能力和长期使用寿命……”[3]。周先生这里所说的失效抗力判据，在他的其他著作中又称“服役性能”。可见，周惠久院士“从服役条件出发”的思路与Cohen教授的“材料科学与工程”四面体是异曲同工的。

1999年，我们将石油管的工程应用与应用基础研究概括为“石油管工程”是受Cohen的“材料科学与工程”四面体的内涵的启示，同时也是受周惠久学术思想的影响。

2 “石油管工程”的内涵

“石油管工程”的内涵如图2所示。

图2 “石油管工程”的内涵[4]

石油管工程技术研究院科研工作的定位是石油管的工程应用与应用基础研究。石油管的工程应用，首先是分析研究石油管的服役条件和服役行为。石油管的服役条件主要是载荷与环境两个方面。载荷方面，包括载荷的性质(静载荷、交变载荷、急加载荷、局部压入载荷、接触滑动载荷，等)，以及应力状态，加载速度等；环境方面，包括服役温度和接触介质等。对应的，石油管的服役行为包括力学行为、环境行为及两者的复合。

石油管的力学行为主要包括疲劳与断裂、变形与屈曲、摩擦与磨损，以及高速加载下的力学行为(冲击)；石油管的环境行为主要包括腐蚀与防护、低温脆化、高温蠕变等；力学行为与环境行为的复合，如应力腐蚀、腐蚀疲劳等等。

基于石油管的服役条件和服役行为的深入研究，通过典型失效分析，确定其失效抗力指标(服役性能)。在此基础上，研究服役性能与材料的成分/结构、合成/加工、性质的关系，提出特定服役条件下工作的石油管的技术条件(标准化)，从材料角度保障石油管的承载能力和使用寿命。

为确保管柱与管线的运行安全，应加强失效分析，建立和完善钻具、油套管和油气输送管失效信息数据库。在此基础上，积极开展钻柱、油管柱、套管柱和油气管道的失效控制，包括断裂控制、应变控制和腐蚀控制等。

一般情况下，失效分析的反馈是防止单件产品再次发生同类失效的基本方法，而风险分析、适用性评价和完整性管理是大系统失效的预测预防的科学方法和有效手段。

失效控制与完整性管理结合起来，可以最大限度杜绝恶性事故的发生，保障管柱和管线的安全运行。

3 “石油管工程”的主要技术领域

“石油管工程”是材料科学与工程、机械工程、石油工程、工程力学、可靠性工程、信息科学与工程(含计算机技术)等多学科交叉的边缘学科。它把相关学科的理论成果和最新技术尽可能地运用于石油管的服役过程(即石油工业的钻井工程、采油工程和储运工程)，最大限度保障石油管服役中的安全可靠性和寿命，并有效地提高工程效率和降低工程成本。

图3为“石油管工程”的主要技术领域及与相关学科的关系。由图2和图3可知，“石油管工程”的主要技术领域包括：石油管的力学行为，石油管的环境行为，石油管材料的服役性能与成分/结构、合成/加工、性质的关系，石油管失效规律和失效的预测预防，共四大领域。鉴于管柱与管线的力学行为差异较大，石油管的力学行为也可拆开表述为：油井管与管柱力学、油气输送管与管线力学。

图3 “石油管工程”的主要技术领域[5]

3.1 石油管的力学行为

石油管的力学行为包括钻柱、油管柱、套管柱和油气管线的力学行为。

钻柱力学包括静载下的拉、压、弯、扭变形与断裂，以及疲劳、冲击、振动等。

油、套管柱力学行为包括在轴向载荷、弯曲载荷与内压、外压等复合载荷作用下，油、套管柱的螺纹连接强度和密封完整性。研究手段：计算机仿真与全尺寸实物模拟试验相结合。除结构完整性和密封完整性，套管柱和油管柱的挤毁、油管柱的疲劳问题也颇受关注。

油气输送管的力学行为包括强震区、地质灾害区管段管道的拉伸、压缩、弯曲变形(位移)及控制；钢管动态裂纹长程扩展与止裂控制；高寒地区站场裸露钢管与管件的低温脆断与控制；近中性PH值土壤的应力腐蚀开裂问题；外载荷周期变化或内压波动引起的疲劳等。

3.2 石油管的环境行为

主要研究石油管的腐蚀与防护。包括硫化物应力腐蚀与氢致开裂；油井高温高压环境中的CO2腐蚀，包括H2S、CO2共存，元素硫和氯离子含量较高的极苛刻条件；多相流冲刷腐蚀；土壤腐蚀，包括近中性PH值土壤的应力腐蚀；海水和海洋大气腐蚀，等等。

3.3 石油管材料的服役性能与成分/结构、合成/加工、性质的关系

首先要在对特定服役条件下工作的石油管服役行为研究的基础上，通过典型的失效分析，确定该石油管的服役性能；在此基础上研究该服役性能与成分/结构、合成/加工、性质的关系。要特别注意研究服役性能与材料的强度、塑性、韧性的合理匹配。不同的服役性能要求对应着不同的强度、塑性、韧性的不同匹配。

3.4 石油管失效规律及失效的预测预防[6]

首先要大力开展失效分析，并大量收集其他单位在石油管方面的失效案例，特别是国外案例。建立钻具、油套管和油气输送管失效信息数据库。在此基础上，开展石油管的失效控制，包括断裂控制、应变控制和表面损伤控制。

石油管失效规律的研究是运用失效分析学的基本理论和方法，研究管材质量、设计与制造工艺、操作运行状态和环境对石油管失效模式、使用寿命的影响规律。在此基础上，应用无损检测、断裂力学(概率断裂力学)、有限元方法、可靠性理论等现代技术，预测石油管的安全使用寿命或确定检测周期，同时提出改进方案，反馈到设计、制造、使用和管理等部门，达到预防石油管失效事故发生的目的。

石油管的适用性评价及风险管理是失效预测预防的重要组成部分。适用性评价是对含有缺陷石油管能否适合于继续使用的定量工程评价。包括定量检测石油管中的缺陷，依照严格的理论分析作出评定，确定缺陷是否危害安全可靠性，并对缺陷的形成、发展及构件的失效过程以及后果等作出判断。风险管理是通过对石油管系统的风险评价、风险控制和风险管理的功能监测三个环节，达到使该工程系统的风险最小、效益最大的目标。对石油管进行适用性评价及风险管理，可在确保其安全可靠性的同时，获得巨大的经济效益。

4 坚持“石油管工程”的研究方向

“石油管工程”是一个新的学科领域，其学科体系尚待继续发展和完善。在新的形势下，要继续坚持和深化石油管工程应用与应用基础研究。

(1)保障石油管的服役性能，最大限度杜绝恶性事故，对整个石油工业发展至关重要。而随着石油工业的发展，石油管的服役条件日益恶化，石油管应用中的新问题、新挑战不断涌现，石油管的工程应用和应用基础研究必须持续开展，不断深化和强化。

(2)石油管的科学研究体系包括两个方面：一是石油管的工程应用与应用基础研究；二是新产品开发和制管工艺研究。在国外，石油管新产品开发和制管工艺研究是由生产企业的研发机构完成的，而工程应用与应用基础研究则是由用户的研究机构及一些独立研究机构承担。国际上从事这方面研究的机构很多，如美国西南研究院、Battlle研究院、应力工程公司，加拿大C-FER，意大利CSM，英国ADVANTICA等。目前我国众多石油管生产企业拥有实力雄厚的科研机构，全力开展新产品开发和制管工艺研究。而在石油管的工程应用与应用基础研究方面，石油管工程技术研究院作为国内这一领域唯一的研究机构，应是责无旁贷的。

(3)“石油管工程”涉及的研究领域和内容很广，我们虽然已经取得了一些成果，但尚有很多急需攻克的难题，其中石油管的失效控制尤为突出。在油气输送管方面，依托西气东输一线、二线等重大管道工程，我们从“石油管工程”的思路进行了科研攻关，取得了一系列创新性研究成果，为管道的安全运行提供了坚实的技术保障，《油气管道失效控制技术与工程应用》获2014年中国石油集团科技进步一等奖。而在油井管方面，虽然在油/套管柱的失效控制方面开展了一些研究工作，但尚不系统和完善。目前，我国部分油气田油/套管柱断裂事故频发，经济损失巨大。不妨换一种思路，即采用“石油管工程”的思路，按图4所示的技术路线组织油/套管柱失效控制科研攻关。《油/套管柱失效控制技术与工程应用》或《油/套管柱的失效控制与完整性管理技术》应争取列入集团公司“十三五”科研计划或重大专项。

图4 油/套管柱失效控制研究的技术路线

[1] 李鹤林. 石油管工程[M]. 北京：石油工业出版社,1999.

[2] Morris Cohen,et al. Materials and Man’s Needs[R]. COSMAT Report. Washington DC. USA: National Academy of Sciences,1974.

[3] 周惠久,黄明志. 金属材料强度学[M]. 北京：科学出版社,1989.

[4] 李鹤林.我院科技工作的方向和领域[R]. 石油管工程技术研究院，2012.

[5] 李鹤林.“石油管工程”概论[A]. 石油管工程文集[C],北京: 石油工业出版社,2011,41-50.

[6] 李鹤林.“石油管工程”的研究领域、初步成果与展望[A]. 石油管工程文集[C],北京: 石油工业出版社,2011,33-40.

The Connotation and Main Research Fields of “Oil Tube Engineering”

LI Helin ZHANG Guanjun DU Wei

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The connotation of “Oil Tube Engineering” and its relationship with the tetrahedron of Materials Science and Engineering are elaborated. Based on it, the main technical fields of “Oil Tube Engineering” is discussed, including mechanical behavior of oil tube, environment behavior of oil tube, the relationship among the service performance of oil tube materials, composition/structure, synthesis/processing and properties, and failure regularity and failure prevention of oil tube.

oil tube engineering， service condition， service performance， failure resistance index

李鹤林，男，1937年生，中国工程院院士，1961年毕业于西安交通大学，现主要从事石油管的工程应用与应用基础研究。E-mail:lihelin@cnpc.com.cn

TE42

A

2096-0077(2015)01-0001-04

2014-01-04 编辑：马小芳)