李鶴林 張冠軍 杜 偉

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

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·綜 述·

“石油管工程”的內(nèi)涵及主要研究領(lǐng)域

李鶴林 張冠軍 杜 偉

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

文章闡述了“石油管工程”的內(nèi)涵及其與“材料科學(xué)與工程”四面體的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，論述了“石油管工程”的主要技術(shù)領(lǐng)域，包括：石油管的力學(xué)行為、石油管的環(huán)境行為、石油管材料的服役性能與成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系，以及石油管失效規(guī)律與失效的預(yù)測(cè)預(yù)防。

石油管工程；服役條件；服役性能；失效抗力指標(biāo)

0 引 言

石油工業(yè)是大量使用石油管的工業(yè)。我國(guó)每年消耗石油管500多萬(wàn)噸，耗資達(dá)400多億元。過(guò)去，石油管工程應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)方面的技術(shù)問(wèn)題未引起足夠重視。1981年，原石油部成立了石油管材試驗(yàn)研究中心，其主要任務(wù)之一是進(jìn)行石油管重大事故的失效分析，每年完成鉆具和油、套管失效分析50～60項(xiàng)。隨著石油工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不斷出現(xiàn)石油管工程應(yīng)用方面急需解決的一些深層次問(wèn)題，首要的是深入研究石油管服役行為及相應(yīng)的失效機(jī)理和規(guī)律。石油管的服役行為包括力學(xué)行為、環(huán)境行為及兩者的復(fù)合。1988年初，石油管材試驗(yàn)研究中心劃為石油工業(yè)部直屬科研機(jī)構(gòu)(先后更名為石油管材研究所、石油管工程技術(shù)研究院)，即在原有的失效分析及預(yù)防等研究室的基礎(chǔ)上，增加了管柱與管線(xiàn)力學(xué)研究機(jī)構(gòu)和腐蝕與防護(hù)研究機(jī)構(gòu)。幾年后，又增加了安全評(píng)價(jià)研究機(jī)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)從事石油管的適用性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)研究。30年來(lái)的實(shí)踐，使石油管的應(yīng)用基礎(chǔ)研究形成了石油管的力學(xué)行為、石油管的環(huán)境行為、石油管失效的診斷及預(yù)測(cè)預(yù)防幾個(gè)領(lǐng)域，并成為有機(jī)的整體，我們將其概括為“石油管工程”[1]。

“石油管工程”致力于研究不同服役條件下石油管的力學(xué)行為和環(huán)境行為，石油管的失效規(guī)律、機(jī)理及克服失效的途徑。其最終目的是提高石油管服役的安全可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，最大限度避免或減少失效事故，提高石油工業(yè)的整體效益。

國(guó)外石油公司很重視管柱與管線(xiàn)力學(xué)、腐蝕與防護(hù)、失效分析及預(yù)測(cè)預(yù)防、適用性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具有相當(dāng)?shù)纳疃群蛷V度。在技術(shù)交流中，許多國(guó)外學(xué)者對(duì)于我們的工作，特別對(duì)我們把這些領(lǐng)域作為有機(jī)整體，提出了“石油管工程”的新概念，表示贊賞。

1 “材料科學(xué)與工程”四面體的啟示

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)的Cohen教授在提倡建立“材料科學(xué)與工程”學(xué)科時(shí)，為形象地說(shuō)明這個(gè)學(xué)科的內(nèi)涵，把材料的成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)(Properties)、服役性能(Performance)畫(huà)成一個(gè)四面體[2]，如圖1所示。前三者構(gòu)成底面的三角形，后者是四面體的頂點(diǎn)。Cohen的“四面體”突出和強(qiáng)調(diào)在特定服役條件下材料的服役性能。國(guó)際材料科學(xué)界對(duì)Cohen教授的“四面體”模式有極高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為它推動(dòng)了材料科學(xué)和相關(guān)的航空、航天與裝備制造業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，具有里程碑的意義。

圖1 “材料科學(xué)與工程”四面體

Cohen教授“材料科學(xué)與工程”四面體的內(nèi)涵有兩個(gè)方面：(1)某一機(jī)件的材料，要從服役條件出發(fā)，確定材料需要具備的服役性能；(2)研究該服役性能與材料的成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)(材料的基本性能)的關(guān)系。

其實(shí)，西安交通大學(xué)周惠久院士早在上世紀(jì)50年代就提出了“從服役條件出發(fā)”的學(xué)術(shù)思想。周先生在他的《金屬材料強(qiáng)度學(xué)》等著作中強(qiáng)調(diào)指出：“從一種機(jī)件或構(gòu)件的具體服役條件出發(fā)，通過(guò)典型的失效分析，找出造成材料失效的主導(dǎo)因素，確立衡量材料對(duì)此種失效抗力的判據(jù)(即相應(yīng)的強(qiáng)度性能指標(biāo))，據(jù)此選擇最合適的材料成分、組織、狀態(tài)及相應(yīng)的加工、處理工藝，從材料的角度保證機(jī)件的短時(shí)承載能力和長(zhǎng)期使用壽命……”[3]。周先生這里所說(shuō)的失效抗力判據(jù)，在他的其他著作中又稱(chēng)“服役性能”?？梢?jiàn)，周惠久院士“從服役條件出發(fā)”的思路與Cohen教授的“材料科學(xué)與工程”四面體是異曲同工的。

1999年，我們將石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究概括為“石油管工程”是受Cohen的“材料科學(xué)與工程”四面體的內(nèi)涵的啟示，同時(shí)也是受周惠久學(xué)術(shù)思想的影響。

2 “石油管工程”的內(nèi)涵

“石油管工程”的內(nèi)涵如圖2所示。

圖2 “石油管工程”的內(nèi)涵[4]

石油管工程技術(shù)研究院科研工作的定位是石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。石油管的工程應(yīng)用，首先是分析研究石油管的服役條件和服役行為。石油管的服役條件主要是載荷與環(huán)境兩個(gè)方面。載荷方面，包括載荷的性質(zhì)(靜載荷、交變載荷、急加載荷、局部壓入載荷、接觸滑動(dòng)載荷，等)，以及應(yīng)力狀態(tài)，加載速度等；環(huán)境方面，包括服役溫度和接觸介質(zhì)等。對(duì)應(yīng)的，石油管的服役行為包括力學(xué)行為、環(huán)境行為及兩者的復(fù)合。

石油管的力學(xué)行為主要包括疲勞與斷裂、變形與屈曲、摩擦與磨損，以及高速加載下的力學(xué)行為(沖擊)；石油管的環(huán)境行為主要包括腐蝕與防護(hù)、低溫脆化、高溫蠕變等；力學(xué)行為與環(huán)境行為的復(fù)合，如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等等。

基于石油管的服役條件和服役行為的深入研究，通過(guò)典型失效分析，確定其失效抗力指標(biāo)(服役性能)。在此基礎(chǔ)上，研究服役性能與材料的成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系，提出特定服役條件下工作的石油管的技術(shù)條件(標(biāo)準(zhǔn)化)，從材料角度保障石油管的承載能力和使用壽命。

為確保管柱與管線(xiàn)的運(yùn)行安全，應(yīng)加強(qiáng)失效分析，建立和完善鉆具、油套管和油氣輸送管失效信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展鉆柱、油管柱、套管柱和油氣管道的失效控制，包括斷裂控制、應(yīng)變控制和腐蝕控制等。

一般情況下，失效分析的反饋是防止單件產(chǎn)品再次發(fā)生同類(lèi)失效的基本方法，而風(fēng)險(xiǎn)分析、適用性評(píng)價(jià)和完整性管理是大系統(tǒng)失效的預(yù)測(cè)預(yù)防的科學(xué)方法和有效手段。

失效控制與完整性管理結(jié)合起來(lái)，可以最大限度杜絕惡性事故的發(fā)生，保障管柱和管線(xiàn)的安全運(yùn)行。

3 “石油管工程”的主要技術(shù)領(lǐng)域

“石油管工程”是材料科學(xué)與工程、機(jī)械工程、石油工程、工程力學(xué)、可靠性工程、信息科學(xué)與工程(含計(jì)算機(jī)技術(shù))等多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。它把相關(guān)學(xué)科的理論成果和最新技術(shù)盡可能地運(yùn)用于石油管的服役過(guò)程(即石油工業(yè)的鉆井工程、采油工程和儲(chǔ)運(yùn)工程)，最大限度保障石油管服役中的安全可靠性和壽命，并有效地提高工程效率和降低工程成本。

圖3為“石油管工程”的主要技術(shù)領(lǐng)域及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系。由圖2和圖3可知，“石油管工程”的主要技術(shù)領(lǐng)域包括：石油管的力學(xué)行為，石油管的環(huán)境行為，石油管材料的服役性能與成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系，石油管失效規(guī)律和失效的預(yù)測(cè)預(yù)防，共四大領(lǐng)域。鑒于管柱與管線(xiàn)的力學(xué)行為差異較大，石油管的力學(xué)行為也可拆開(kāi)表述為：油井管與管柱力學(xué)、油氣輸送管與管線(xiàn)力學(xué)。

圖3 “石油管工程”的主要技術(shù)領(lǐng)域[5]

3.1 石油管的力學(xué)行為

石油管的力學(xué)行為包括鉆柱、油管柱、套管柱和油氣管線(xiàn)的力學(xué)行為。

鉆柱力學(xué)包括靜載下的拉、壓、彎、扭變形與斷裂，以及疲勞、沖擊、振動(dòng)等。

油、套管柱力學(xué)行為包括在軸向載荷、彎曲載荷與內(nèi)壓、外壓等復(fù)合載荷作用下，油、套管柱的螺紋連接強(qiáng)度和密封完整性。研究手段：計(jì)算機(jī)仿真與全尺寸實(shí)物模擬試驗(yàn)相結(jié)合。除結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性，套管柱和油管柱的擠毀、油管柱的疲勞問(wèn)題也頗受關(guān)注。

油氣輸送管的力學(xué)行為包括強(qiáng)震區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害區(qū)管段管道的拉伸、壓縮、彎曲變形(位移)及控制；鋼管動(dòng)態(tài)裂紋長(zhǎng)程擴(kuò)展與止裂控制；高寒地區(qū)站場(chǎng)裸露鋼管與管件的低溫脆斷與控制；近中性PH值土壤的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題；外載荷周期變化或內(nèi)壓波動(dòng)引起的疲勞等。

3.2 石油管的環(huán)境行為

主要研究石油管的腐蝕與防護(hù)。包括硫化物應(yīng)力腐蝕與氫致開(kāi)裂；油井高溫高壓環(huán)境中的CO2腐蝕，包括H2S、CO2共存，元素硫和氯離子含量較高的極苛刻條件；多相流沖刷腐蝕；土壤腐蝕，包括近中性PH值土壤的應(yīng)力腐蝕；海水和海洋大氣腐蝕，等等。

3.3 石油管材料的服役性能與成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系

首先要在對(duì)特定服役條件下工作的石油管服役行為研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)典型的失效分析，確定該石油管的服役性能；在此基礎(chǔ)上研究該服役性能與成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系。要特別注意研究服役性能與材料的強(qiáng)度、塑性、韌性的合理匹配。不同的服役性能要求對(duì)應(yīng)著不同的強(qiáng)度、塑性、韌性的不同匹配。

3.4 石油管失效規(guī)律及失效的預(yù)測(cè)預(yù)防[6]

首先要大力開(kāi)展失效分析，并大量收集其他單位在石油管方面的失效案例，特別是國(guó)外案例。建立鉆具、油套管和油氣輸送管失效信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展石油管的失效控制，包括斷裂控制、應(yīng)變控制和表面損傷控制。

石油管失效規(guī)律的研究是運(yùn)用失效分析學(xué)的基本理論和方法，研究管材質(zhì)量、設(shè)計(jì)與制造工藝、操作運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境對(duì)石油管失效模式、使用壽命的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)、斷裂力學(xué)(概率斷裂力學(xué))、有限元方法、可靠性理論等現(xiàn)代技術(shù)，預(yù)測(cè)石油管的安全使用壽命或確定檢測(cè)周期，同時(shí)提出改進(jìn)方案，反饋到設(shè)計(jì)、制造、使用和管理等部門(mén)，達(dá)到預(yù)防石油管失效事故發(fā)生的目的。

石油管的適用性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理是失效預(yù)測(cè)預(yù)防的重要組成部分。適用性評(píng)價(jià)是對(duì)含有缺陷石油管能否適合于繼續(xù)使用的定量工程評(píng)價(jià)。包括定量檢測(cè)石油管中的缺陷，依照嚴(yán)格的理論分析作出評(píng)定，確定缺陷是否危害安全可靠性，并對(duì)缺陷的形成、發(fā)展及構(gòu)件的失效過(guò)程以及后果等作出判斷。風(fēng)險(xiǎn)管理是通過(guò)對(duì)石油管系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)管理的功能監(jiān)測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié)，達(dá)到使該工程系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)最小、效益最大的目標(biāo)。對(duì)石油管進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理，可在確保其安全可靠性的同時(shí)，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 堅(jiān)持“石油管工程”的研究方向

“石油管工程”是一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域，其學(xué)科體系尚待繼續(xù)發(fā)展和完善。在新的形勢(shì)下，要繼續(xù)堅(jiān)持和深化石油管工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

(1)保障石油管的服役性能，最大限度杜絕惡性事故，對(duì)整個(gè)石油工業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。而隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油管的服役條件日益惡化，石油管應(yīng)用中的新問(wèn)題、新挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，石油管的工程應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)研究必須持續(xù)開(kāi)展，不斷深化和強(qiáng)化。

(2)石油管的科學(xué)研究體系包括兩個(gè)方面：一是石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究；二是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制管工藝研究。在國(guó)外，石油管新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制管工藝研究是由生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)機(jī)構(gòu)完成的，而工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究則是由用戶(hù)的研究機(jī)構(gòu)及一些獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)承擔(dān)。國(guó)際上從事這方面研究的機(jī)構(gòu)很多，如美國(guó)西南研究院、Battlle研究院、應(yīng)力工程公司，加拿大C-FER，意大利CSM，英國(guó)ADVANTICA等。目前我國(guó)眾多石油管生產(chǎn)企業(yè)擁有實(shí)力雄厚的科研機(jī)構(gòu)，全力開(kāi)展新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制管工藝研究。而在石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，石油管工程技術(shù)研究院作為國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域唯一的研究機(jī)構(gòu)，應(yīng)是責(zé)無(wú)旁貸的。

(3)“石油管工程”涉及的研究領(lǐng)域和內(nèi)容很廣，我們雖然已經(jīng)取得了一些成果，但尚有很多急需攻克的難題，其中石油管的失效控制尤為突出。在油氣輸送管方面，依托西氣東輸一線(xiàn)、二線(xiàn)等重大管道工程，我們從“石油管工程”的思路進(jìn)行了科研攻關(guān)，取得了一系列創(chuàng)新性研究成果，為管道的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，《油氣管道失效控制技術(shù)與工程應(yīng)用》獲2014年中國(guó)石油集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。而在油井管方面，雖然在油/套管柱的失效控制方面開(kāi)展了一些研究工作，但尚不系統(tǒng)和完善。目前，我國(guó)部分油氣田油/套管柱斷裂事故頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。不妨換一種思路，即采用“石油管工程”的思路，按圖4所示的技術(shù)路線(xiàn)組織油/套管柱失效控制科研攻關(guān)?！队?套管柱失效控制技術(shù)與工程應(yīng)用》或《油/套管柱的失效控制與完整性管理技術(shù)》應(yīng)爭(zhēng)取列入集團(tuán)公司“十三五”科研計(jì)劃或重大專(zhuān)項(xiàng)。

圖4 油/套管柱失效控制研究的技術(shù)路線(xiàn)

[1] 李鶴林. 石油管工程[M]. 北京：石油工業(yè)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,黃明志. 金屬材料強(qiáng)度學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社,1989.

[4] 李鶴林.我院科技工作的方向和領(lǐng)域[R]. 石油管工程技術(shù)研究院，2012.

[5] 李鶴林.“石油管工程”概論[A]. 石油管工程文集[C],北京: 石油工業(yè)出版社,2011,41-50.

[6] 李鶴林.“石油管工程”的研究領(lǐng)域、初步成果與展望[A]. 石油管工程文集[C],北京: 石油工業(yè)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

李鶴林，男，1937年生，中國(guó)工程院院士，1961年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)主要從事石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。E-mail:lihelin@cnpc.com.cn

TE42

A

2096-0077(2015)01-0001-04

2014-01-04 編輯：馬小芳)