含腐蚀坑连续油管极限腐蚀坑深度及剩余强度评估

李　霄，温庆伦

(西安石油大学 材料加工工程重点学科实验室，西安 710065)*



含腐蚀坑连续油管极限腐蚀坑深度及剩余强度评估

李霄，温庆伦

(西安石油大学 材料加工工程重点学科实验室，西安 710065)*

摘要：依据API 579给出的点状腐蚀评价标准，对QT900钢含腐蚀坑的连续油管在通过导向架时是否能够安全工作做出评价，并得出该含腐蚀坑连续油管的极限腐蚀坑深度，为其他含腐蚀坑连续油管在工作压力下是否可以安全服役提供数据基础。结果表明：在单纯内压作用(20 MPa)下连续油管的极限腐蚀坑尺寸为4.13 mm；在439 MPa拉伸载荷作用下，经过半径为1 828 mm的弯曲半径时，极限腐蚀坑尺寸为0.516～0.774 mm。

关键词：连续油管；API 579；腐蚀坑；内压；剩余强度

连续油管(coiled tubing)又叫做绕性管，是一种单根长度可达几千米，可以实现反复弯曲、具有良好塑性的新型石油管材[1-2]。连续油管在实际作业过程中，由于其苛刻的服役环境(高温、酸性介质等)，容易产生腐蚀[3]，使得连续油管的剩余强度降低。因此，对于腐蚀作用造成连续油管剩余强度降低的研究很有必要。王旭东[4]等系统阐述了国外管道缺陷的评估方法及其优缺点，对于管道剩余强度的评价中，B31G准则可以用于评估带有轴向裂纹或者腐蚀体积型缺陷的管道，但结果存在一定的保守性。高松巍[5]等利用API 579准则对均匀腐蚀的管道剩余强度进行了评价，并且通过计算得到了在给定均匀腐蚀缺陷下管道的最大安全运行压力值。赵新伟[6]等对点腐蚀损伤管道的剩余强度进行评价，得到了管道的弹性模量和屈服强度随孔隙率的增大而显著降低，同时将点腐蚀缺陷简化为局部腐蚀缺陷，当最大点腐蚀深度小于t/10(t为管道壁厚)时，这种简化处理在工程上可以接受。

通过对国内某油田连续油管在腐蚀作用下的情况调研，发现其作业连续油管表面有较为密集的腐蚀坑，其腐蚀类型为点状腐蚀。连续油管为石油专用管，在石油天然气领域其缺陷评价方法多采用API 579。API 579对腐蚀坑的评价方法分为3级[7]：一级评价具有保守的审查准则和评价方法；二级评价则更为详细和准确，评价的结果比一级评价水平更精确；三级评价需要采用数值模拟的方法，如有限元分析法[8]，其评价结果比二级评价更为精确，需要有经验的专家来完成。笔者通过API 579给出的评价标准对含腐蚀坑的连续油管在工作压力下的剩余强度进行评价，以期得出在内压作用和通过导向架时其极限腐蚀坑尺寸，为其他含腐蚀坑连续油管的服役寿命评估提供理论依据。

1腐蚀坑处的剩余强度评价

油田作业连续油管钢级为QT900，屈服强度为621 MPa，抗拉强度为689 MPa，流变应力为655 MPa，弹性模量为200 GPa，连续油管的工作压力为2.5～20.0 MPa[9]，连续油管管径D=38.1 mm，壁厚t=5.16 mm。经调研，连续油管在通过导向架时其弯曲曲率半径为1 828 mm，其重力引起的拉伸应力为439 MPa。连续油管下井时受到内压、弯曲应力和拉伸应力的三轴应力，其腐蚀坑处容易造成应力集中。连续油管表面腐蚀坑深度约为0.10 mm，其中最大腐蚀坑深度wmax为0.50 mm，连续油管的表面破坏程度如图1所示。

图1　实际腐蚀坑密度

1.1一级和二级评价计算内压作用下极限腐蚀坑尺寸

通过API 579一级和二级评价[7]的计算结果可得：该油田连续油管表面腐蚀坑深度集中在0.10 mm左右，且其中最大腐蚀坑深度wmax为0.50 mm时，连续油管可以在内压作用下安全服役。连续油管的极限腐蚀坑深度为4.13 mm，此时连续油管的剩余强度为103 MPa，当连续油管的腐蚀坑深度等于或者超过4.13 mm时，应该采用API 579第三级评价方法(有限元模拟)进行评价，或者报废、返厂重修。

1.2三级评价计算通过导向架时极限腐蚀坑尺寸

由于API 579的一级和二级评价只能计算在单一载荷作用下的剩余强度，对于在复杂作用下结构的评价有较大的局限性。因此，对于通过导向架时含腐蚀坑连续油管的剩余强度，需要采用API 579三级评价(有限元模拟)的方法进行评价。

图2为经过曲率半径为1 828 mm的导向架、拉伸载荷为439 MPa作用下、不同腐蚀坑尺寸状态下的等效应力分布。腐蚀坑尺寸比w/t为0、0.10、0.15时弯曲过程的峰值等效应力分别为643、645、662 MPa。通过与QT900连续油管的流变应力(655 MPa)比较，可以确定在439 MPa拉伸载荷作用下，经过半径为1 828 mm的弯曲时，腐蚀坑尺寸比介于0.10～0.15，腐蚀坑深度介于0.516～0.774 mm。

a　拉伸载荷F=439 MPa，送进速

b　拉伸载荷F=439 MPa，送进速

c　拉伸载荷F=439 MPa，送进速

图3为连续油管在1 828 mm弯曲曲率半径时管内的等效塑性应变。当腐蚀坑尺寸比w/t=0时，等效塑性应变分布在整个管体，其最大等效塑性应变在管体的上下两边；当腐蚀坑尺寸比w/t为0.1和0.2时，其最大等效塑性应变其中在腐蚀坑附近。腐蚀坑尺寸比w/t为0、0.1、0.2时，连续油管管内的峰值等效塑性应变分别为1.6%、4.1%和4.7%，远远小于连续油管材料的均匀总伸长率(一般认为10%)，此时连续油管可以安全服役。

a　w/t=0

b　w/t=0.1

c　w/t=0.2

2结果分析与讨论

含腐蚀坑的连续油管在内压作用下，其塑性应变变化较小，在此只需要考虑强度的作用。由于连续油管工作时最大内压仅为20 MPa，通过以上分析可以得出，连续油管在内压的作用下，腐蚀坑对其剩余强度的影响是较小的。在不考虑连续油管的低周应变疲劳下，当腐蚀坑深度小于极限腐蚀坑深度4.13 mm时，连续油管在内压作用下可以安全工作。

当连续油管下井时，其受到复杂的作用力(包括其自身重力引起的拉伸应力和弯曲产生的弯曲应力)，腐蚀坑处容易造成应力其中。采用有限元模拟的方法对连续油管通过曲率半径为1 828 mm的导向架、拉伸载荷为439 MPa时腐蚀坑处的等效应力和等效塑性应变进行评价，综合以上可以得到其最大腐蚀坑深度应该小于0.516 mm。此时，连续油管可以安全服役。在连续油管通过导向架工作时，其受到三轴作用力的影响，其中内压的影响非常小，甚至可以忽略不计，但拉伸和弯曲产生的应力对连续油管能够造成较大的影响，尤其是在腐蚀坑处产生的应力集中，对人员和财产造成较大的威胁。因此，对于含腐蚀坑连续油管剩余强度的评价有非常重要的意义。

3结论

1)该油田连续油管可以在工作压力(20 MPa)下安全服役，且其剩余强度为103 MPa，此时连续油管极限腐蚀坑极限深度为4.13 mm。

2)分析可知，当连续油管在439 MPa拉伸载荷作用下，经过半径为1 828 mm的弯曲时，腐蚀坑尺寸比为0.10，此时连续油管的极限腐蚀坑深度为0.516 mm，剩余强度为645 MPa。

3)含腐蚀坑连续油管通过导向架时，内压的影响非常小，拉伸和弯曲产生的应力和应变会对连续油管造成较大影响。

参考文献：

[1]王少力，郑子元．连续油管国产化技术研究新进展[J]．石油矿场机械，2008，37(8)：91-93．

[2]李霄，石凯，王洪铎，等．CT80连续油管TIG焊对接接头热循环过程研究[J]．热加工工艺，2011，40(9)：168-170．

[3]王优强，张嗣伟，方爱国．连续油管的失效形式及原因概述[J]．石油矿场机械，1999，28(4)：15-18．

[4]王旭东，徐杰，孙冬柏，等．国外油气管道缺陷评估方法评介[J]．机械工程材料，2009，33(4)：6-13．

[5]高松巍，邵娜，杨离践．API 579准则评价均匀腐蚀管道剩余强度[J]．沈阳工业大学学报，2011，33(3)：288-292．

[6]赵新伟，罗金恒，郑茂盛，等．点腐蚀损伤管道剩余强度的评价方法[J]．机械工程材料，2006，30(6)：26-29．

[7]API 579-1/ASME FES-1—2007，Fitness-For-Service[S]．[8]Abdel S H，Anna M B． Effect of surface preparation prior to cerium pre-treatment on the corrosion protection performance of aluminum composites[J]．Journal of Applied Electrochemistry，2005，35(5)：473-478．

[9]朱小平．连续油管在弯曲和内压共同作用下的疲劳寿命分析[J]．钻采工艺，2004，27(4)：73-75．

Containing Corrosion Pit Limit of Coiled Tubing Corrosion Pit Depth and Residual Strength Analysis

LI Xiao，WEN Qinglun

(KeyLaboratoryofMaterialProcessingEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

Abstract：According to the pitting corrosion of primary and secondary assessment standard given in API 579，the safety evaluation is made for the grade of steel of QT900，which is the coiled tubing containing corrosion pit through guide frame.It is concluded that the coiled tubing with limit corrosion pit depth same as the ones containing corrosion pit depth can work safely under working pressure.The results showed that：under only the inner pressure (20 MPa)，the limits of coiled tubing corrosion pit size is 4.13 mm，in 439 MPa under tensile loading，as going through the bending radius of 1 828 mm，the limit corrosion pit size are between 0.516 mm and 0.774 mm.

Keywords：coiled tubing；API 579；corrosion pit；internal pressure；residual strength

中图分类号：TE931.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.002

作者简介：李霄(1967-)，女，陕西西安人，硕士，副教授，主要从事焊接结构及焊接有限元模拟研究。

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划支持项目(2014JM2-5068)

收稿日期：2015-10-09

文章编号：1001-3482(2016)04-0005-03