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《鋼管雜志》2016年第4期

摘要：

采用理論分析和實物評價試驗相結合的方法，研究了含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。結果表明：腐蝕坑深度對油管的抗內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測含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。

關鍵詞：

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

隨著油田開發進入中后期，油氣井腐蝕損壞問題日益嚴重，成為困擾石油開采工業的一大難題。油管一旦發生腐蝕，將會降低油管的力學性能，甚至引發油管斷落入井的腐蝕事故［1-2］。目前，國內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險，延長油氣井生產壽命具有重要意義。據統計，油管腐蝕坑形態主要分為球形、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測模型。

1舊油管實物性能評價

采用游標卡尺、測厚儀及腐蝕坑深度測量儀對12根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級舊油管的幾何尺寸和腐蝕坑深度進行測量，并在復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格的反比關系。例如，腐蝕坑深度占比為15%的11Y油管，其抗拉強度為1368.6kN，反而低于腐蝕坑深度占比為28%的3Y油管的抗拉強度。對13根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級舊油管的幾何尺寸及腐蝕坑深度進行測量，并在內壓爆破試驗機上對舊油管的抗內壓爆破性能進行評價。13根舊油管的幾何尺寸及內壓失效試驗結果見表2。從表2可以看出：13根舊油管的內壓失效壓力均滿足APIBull5C2—1999《套管、油管和鉆桿使用性能》［12］標準要求（96.3MPa），最大值較最小值高出44.0%。內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2.66mm，因此內壓失效壓力反較4Z低2.1MPa；9Z的t/D較4Z高出19.3%，最大腐蝕坑深度相近，所以內壓失效壓力較4Z高33.7MPa。其余樣管的腐蝕坑深度與內壓失效壓力值也呈較好的反比關系。這在一定程度上（因影響套管的內壓性能因素較多，比如屈服強度、t/D等）說明舊油管的抗內壓性能與腐蝕坑深度關系較大。對13根Φ88.9mm×6.45mm110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APITR5C3—2008［13］標準要求（93.3MPa），最大為123.1MPa（超出標準要求31.9%），最小僅為11.9MPa（較標準要求值低81.4MPa），但其余樣管的腐蝕坑深度與抗擠強度之間并不嚴格遵循反比關系，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、殘余應力、外徑不圓度、壁厚不均度、t/D等。綜上所述，38根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級舊油管的最大壁厚為7.73mm，最小壁厚僅為3.73mm，相差107%；最大外徑為89.90mm，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現，該批舊油管腐蝕坑深度占名義壁厚超過30%的根數占總抽檢根數的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狀。

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、抗內壓強度、抗擠強度）進行理論計算，并將以上3種理論計算結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Φ88.90mm×6.45mm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1.21mm，按此平均值進行強度計算。以Φ88.90mm×6.45mm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5.24mm，實際外徑采用86.48mm。

（3）腐蝕坑均勻排布法。假設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。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）：S損失=D22•2arcsinbD360-D2-hb2（1）S總損失=∑S損失=DDαS損失（2）油管外徑D取88.9mm，腐蝕坑深度h取1.935mm（名義壁厚的30%），腐蝕坑直徑b取25mm（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=1319.7（mm2）。根據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準則）。3σ準則是先假設一組檢測數據只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標準偏差，按一定概率確定一個區間，認為凡超過這個區間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數據應予以剔除。采用3σ準則對實物試驗數據進行處理，并取μ-3σ值作為實物試驗預測值。σ=ni∑（xi-μ）2n-1姨（3）式中σ—標準差；μ—均值；n—測量次數。以拉伸試驗為例，將拉伸試驗數據（表1）代入公式（3），計算的標準差σ為110.5kN，平均值為1440kN，則μ-3σ值為1109kN。

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3σ準則對實物拉伸試驗數據（表1）進行處理，結果見表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測舊油管的抗拉強度。P1=0.7854（D2-d2）Y1（4）式中P1———管體抗拉強度，kN；D———實際外徑，mm；d———實際內徑，mm；Y1———材料實際抗拉強度，MPa。

2.2含腐蝕坑舊油管抗內壓強度分析

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壓強度進行理論計算，抗內壓強度的計算見公式（5），并依據3σ準則對實物內壓至失效試驗數據（表2）進行處理，結果見表5。從表5可以看出：采用均勻壁厚腐蝕法計算出來的抗內壓強度最小，采用概率分布法計算出來的抗內壓強度最大，采用腐蝕坑均勻排布法計算出來的抗內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壓強度與實物抗內壓性能最為接近，因此推薦采用腐蝕坑均勻排布法預測舊油管的抗內壓強度。P2=0.875（2Y2t/D）（5）式中P2———抗內壓強度，MPa；Y2———材料實際屈服強度，MPa；t———實際壁厚，mm。

2.3含腐蝕坑舊油管抗擠強度分析

根據均勻壁厚腐蝕法、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3σ準則對實物外壓擠毀試驗數據（表3）進行處理，計算結果見表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果（見表3，依據3σ準則）大。這是因為3σ準則是以測量次數充分大為前提的，而且對正態或近似正態分布的樣本數據處理最有效，本次抽檢的13根Φ88.9mm×6.45mm110鋼級舊油管抗擠強度離散度較高，不符合正態分布要求，不適用于3σ準則，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測舊油管的抗擠強度。P3=Y3（BtD-A）-C（6）式中P3———抗擠強度，MPa；Y3———材料實際屈服強度，MPa；A、B、C———經驗參數；其中，A=0.026233+0.50609×10-6Y3，B=2.8762+0.10679×10-5Y3×0.21301×10-10Y32-0.53132×10-16Y33，C=-465.93+0.030867Y3-0.10483×10-7Y32-0.36989×10-13Y33。

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；概率分布法是對油管外表面的腐蝕坑深度進行概率統計分析，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先假設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系較大，因此，當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確；當以點腐蝕為主時，應該采用腐蝕坑均勻排布法進行抗拉強度的計算。油管的抗內壓強度對腐蝕坑較為敏感，在有嚴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壓強度的計算；只有在腐蝕較為均勻或較輕時，才會發生膨脹開裂，此時用均勻壁厚法預測最小抗內壓強度較為合適。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。而當發生的是點腐蝕時，應該采用腐蝕坑均勻排布法進行剩余抗擠強度的計算。

4結論

（1）單個腐蝕坑深度對舊油管的抗內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測含圓錐形腐蝕坑油管的剩余強度。

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作者:朱加強 寧明 袁金雷 范永佳 毛玉林 崔汝東 史交齊 王軍 單位:中石化西北油田分公司物資供應管理中心 中國石油長慶油田分公司物資供應處商檢所 西安三維應力工程技術有限公司