萬 夫, 周兆明, 張 健, 周詠琳, 王 哲

(1中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院 2西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引言

連續(xù)油管環(huán)繞在導(dǎo)向拱架和滾筒上使之彎曲再加上其內(nèi)壓作用，導(dǎo)致連續(xù)油管低周疲勞損傷，使用次數(shù)非常有限。在內(nèi)壓作用下，連續(xù)油管在卷筒和導(dǎo)向拱上的反復(fù)彎曲是其最主要的變形形式[1-3]，連續(xù)管柱起出或下入井內(nèi)時(shí)都包含3個(gè)彎曲動(dòng)作，在每次起下作業(yè)過程中，連續(xù)管經(jīng)歷6次彎曲塑性變形，成為其失效的主要原因[4]。

連續(xù)油管疲勞壽命模型經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在主要有三種疲勞計(jì)算的模型：S.Tipton-Tulsa大學(xué)開發(fā)的Tipton模型、V.Avakov-哈里伯頓公司開發(fā)的Avakov模型和BJ/Nowsco公司開發(fā)的CIRCA模型[5-6]。三種疲勞模型都應(yīng)用于連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的壽命預(yù)測(cè)，在一定程度上減少了疲勞失效。

連續(xù)油管典型的低周疲勞模型計(jì)算過程首先輸入連續(xù)油管基本參數(shù)包括外徑、壁厚、材料類型，然后考慮連續(xù)油管目前狀態(tài)特性包括疲勞損傷、直徑增長(zhǎng)、壁厚減薄、應(yīng)力、應(yīng)變和反向應(yīng)力，然后利用疲勞累計(jì)損傷模型進(jìn)行計(jì)算使用壽命[7]。目前大多疲勞壽命模型中對(duì)壁厚的減薄是直接輸入一個(gè)預(yù)測(cè)的減少值，作業(yè)者為某項(xiàng)作業(yè)輸入這樣一個(gè)壁厚減少值將其應(yīng)用到整個(gè)管段[8]。這種方法對(duì)于疲勞計(jì)算的準(zhǔn)確度存在很大缺陷，現(xiàn)場(chǎng)這樣做是因?yàn)楹芏嗤ㄟ^理想狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)獲得壁厚減薄是成線性減薄，但實(shí)際工作會(huì)存在較大差別。只考慮了壁厚減薄量與不同種類作業(yè)的關(guān)系，但實(shí)際有很多種因素導(dǎo)致作業(yè)過程中壁厚的減薄。同樣不同作業(yè)者會(huì)在下一次作業(yè)時(shí)對(duì)這個(gè)管柱輸入不同的減薄量，這也會(huì)導(dǎo)致疲勞計(jì)算的矛盾。其中最嚴(yán)重的是設(shè)定一個(gè)固定壁厚減薄值應(yīng)用到整個(gè)管段，這是存在的最大缺陷。因此傳統(tǒng)的疲勞模型的中連續(xù)油管壁厚的預(yù)測(cè)值很難達(dá)到精準(zhǔn)，因此有必要利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值輸入到疲勞模型軟件中進(jìn)行計(jì)算，且可以提高疲勞模型的準(zhǔn)確性。本文作者團(tuán)隊(duì)利用弱磁檢測(cè)方法(高精度磁通門傳感器)和渦流檢測(cè)方法，研發(fā)了連續(xù)油管在線檢測(cè)裝置，可以適應(yīng)多種管徑測(cè)量安裝的裝置，編制了采集處理軟件系統(tǒng)[9]。該檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量壁厚、直徑和缺陷，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 壁厚測(cè)量值對(duì)疲勞壽命模型的改進(jìn)

本文作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的檢測(cè)裝置能檢測(cè)連續(xù)油管的直徑和壁厚減薄量，檢測(cè)裝置能提供連續(xù)準(zhǔn)確的壁厚減薄測(cè)量值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值可以用來計(jì)算整管的疲勞壽命[10]。圖1針對(duì)利用預(yù)測(cè)壁厚減薄值和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值對(duì)壽命損傷的跟蹤累積比較，通過壁厚減薄預(yù)測(cè)值對(duì)整管的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]，其中藍(lán)色表示疲勞壽命已使用的部分，縱坐標(biāo)表示疲勞壽命使用占總壽命的百分比。圖2表示利用壁厚測(cè)量值來計(jì)算疲勞壽命。從圖1、圖2比較來看，根據(jù)預(yù)測(cè)壁厚減薄值，發(fā)現(xiàn)整個(gè)作業(yè)管道的疲勞壽命都較大，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值來計(jì)算發(fā)現(xiàn)只有在壁厚真實(shí)減少部位疲勞壽命損傷較大，并且壽命損傷低于預(yù)測(cè)值計(jì)算的疲勞損傷，同時(shí)也能表現(xiàn)作業(yè)管段不同壽命損傷的特征。

圖1 利用預(yù)測(cè)壁厚減薄量計(jì)算的疲勞壽命

圖2 利用壁厚的測(cè)量值來計(jì)算的疲勞壽命

通過以上的分析比較，發(fā)現(xiàn)根據(jù)預(yù)測(cè)壁厚減薄值來計(jì)算壽命在某些管段會(huì)過高估計(jì)損失量，但在有些管段會(huì)低估壁厚減薄量。

2 直徑測(cè)量值對(duì)疲勞壽命模型的改進(jìn)

目前，連續(xù)油管作業(yè)更趨向于使用更大直徑的CT，因此直徑增長(zhǎng)應(yīng)該作為一個(gè)壽命預(yù)測(cè)考慮的關(guān)鍵因素[12]。

油管直徑在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有一定的極限要求，增大過多不能滿足滾筒、鵝頸管、注入器、封隔器和防噴器的通過性[13]。圖3是某井下作業(yè)公司在川內(nèi)某井進(jìn)行水力壓裂后進(jìn)行鉆磨20個(gè)橋塞作業(yè)后的增加的疲勞壽命預(yù)測(cè)圖，上面管子給出焊縫位置，該作業(yè)使用的是外徑50.8 mm CT90鋼級(jí)錐形連續(xù)油管，1 097 m長(zhǎng)段內(nèi)壁厚為5.18 mm，到2 286 m長(zhǎng)段內(nèi)壁厚為4.77 mm，到4 572 m長(zhǎng)段內(nèi)壁厚為4.44 mm，垂直井深為2 743 m，水平段長(zhǎng)2 133 m，作業(yè)壓力平均達(dá)到50 MPa。此次作業(yè)進(jìn)行前連續(xù)油管已使用的疲勞壽命為30%，通過這次作業(yè)疲勞壽命累積已經(jīng)達(dá)到80%。疲勞損傷嚴(yán)重部位主要位于中間段。

圖3 連續(xù)油管作業(yè)后累積的疲勞壽命和初始的疲勞壽命

從圖3中可以看出疲勞壽命最嚴(yán)重的部位處于中間的段的斜焊縫的位置，壁厚為4.77 mm處，這段反復(fù)通過卷盤和鵝頸管進(jìn)行彎曲，由于疲勞壽命很快消耗完，當(dāng)管子從井內(nèi)起出時(shí)對(duì)連續(xù)油管的外徑進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示，藍(lán)色曲線表示直徑增長(zhǎng)預(yù)測(cè)值，已經(jīng)超出名義直徑值4.8 mm，紅色虛線表示直徑增長(zhǎng)設(shè)定警示值，但是通過實(shí)際測(cè)量的值如圖中的黃色區(qū)域所示，測(cè)量的值小于疲勞模型預(yù)測(cè)的直徑增長(zhǎng)值。由此可見利用理論預(yù)測(cè)的直徑增長(zhǎng)值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的直徑的值差別較大，因此利用理論計(jì)算的直徑值來計(jì)算疲勞壽命與實(shí)際的疲勞壽命也就存在誤差。

圖4 連續(xù)油管直徑預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量比較

圖5表示了疲勞模型中直徑增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型，疲勞模型對(duì)直徑的增長(zhǎng)預(yù)測(cè)通過直接的預(yù)測(cè)增加值或通過百分比進(jìn)行線性的增加。從這個(gè)分析可以看出，模型預(yù)測(cè)的直徑值與實(shí)際使用的情況存在差別。利用開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量值來計(jì)算管段的疲勞壽命將獲得更加準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果，能為客戶在保證油管作業(yè)安全的前提下創(chuàng)造更大安全效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖5 疲勞模型中對(duì)直徑增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型

3 缺陷檢測(cè)對(duì)疲勞壽命模型的改進(jìn)

連續(xù)油管在作業(yè)過程中表面存在很多機(jī)械損傷，但這些損傷沒有嚴(yán)重到報(bào)廢的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的連續(xù)油管可繼續(xù)使用，但外表面的缺陷會(huì)降低連續(xù)油管的使用壽命。連續(xù)油管的疲勞循環(huán)次數(shù)一般低于1 000個(gè)周期，由于這些缺陷導(dǎo)致油管嚴(yán)重的塑性變形，必然導(dǎo)致疲勞壽命下降，缺陷處易產(chǎn)生疲勞微裂紋使得管柱的安全疲勞壽命下降48%到75%[14]。目前很多疲勞壽命預(yù)測(cè)模型都忽略了連續(xù)油管表面缺陷對(duì)連續(xù)油管疲勞壽命的影響，如裂紋、溝槽、劃痕、切口、腐蝕坑等。隨著無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以獲得缺陷信號(hào)的幾何信息，利用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合疲勞計(jì)算模型已經(jīng)得到發(fā)展[15]。那么機(jī)械損傷對(duì)連續(xù)油管疲勞壽命減少多少，相關(guān)的計(jì)算模型已經(jīng)取得了進(jìn)展， CTMRC Tulsa大學(xué)研究了一些機(jī)械損傷對(duì)疲勞壽命損傷的定量模型，基于缺陷的幾何尺寸，定義缺陷敏感性系數(shù)Q，將缺陷的幾何參數(shù)通過公式的形式反映到等效應(yīng)變幅的計(jì)算當(dāng)中。缺陷嚴(yán)重參數(shù)Q基于缺陷與壁厚的比值、縱橫比和缺陷的面積的關(guān)系式[16-17]為:

(1)

式中：d，w，x—分別是缺陷的深度、寬度和長(zhǎng)度，mm；t是連續(xù)油管的壁厚，mm；Ap與Ac—分別表示為缺陷在連續(xù)油管橫截面投影面積和缺陷處完好的連續(xù)油管承載的投影面積，m2；Q—缺陷的嚴(yán)重性，Q越大對(duì)連續(xù)油管壽命的影響就越大。

根據(jù)不同的缺陷類型材料等級(jí)和壓力級(jí)別，缺陷的形狀和尺寸、油管尺寸、作業(yè)狀況等參數(shù)都參與疲勞壽命預(yù)測(cè)模型的計(jì)算。連續(xù)油管在作業(yè)彎曲過程中，塑性變形占主導(dǎo)地位，由于表面機(jī)械損傷缺陷的存在，在損傷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變集中，應(yīng)變集中部位的局部應(yīng)變遠(yuǎn)大于名義應(yīng)變，原先疲勞計(jì)算的應(yīng)變計(jì)算公式已經(jīng)不滿足要求。因此利用應(yīng)變集中系數(shù)來表示缺陷處的嚴(yán)重程度，找出應(yīng)變集中系數(shù)與缺陷嚴(yán)重性系數(shù)Q的關(guān)系，獲得其等效應(yīng)變幅的關(guān)系，這是缺陷油管疲勞壽命預(yù)測(cè)影響程度的理論模型。

圖6為在線檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷，描繪缺陷形狀和尺寸，根據(jù)Tipton缺陷的影響計(jì)算模型，在進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)考慮該缺陷的影響因素。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，缺陷處的使用壽命要比完好部位高，整體大多的使用壽命在整個(gè)壽命的50%左右，缺陷處的使用疲勞壽命已經(jīng)達(dá)到整體壽命的80%。這能更加真實(shí)的反映連續(xù)油管的使用壽命，利用連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷的位置和尺寸，在壽命模型中考慮缺陷對(duì)壽命的影響，計(jì)算結(jié)果對(duì)存在缺陷的連續(xù)油管是否繼續(xù)使用提供更加準(zhǔn)確的建議，可以提高最大化利用連續(xù)油管的價(jià)值，同時(shí)避免意外事故。

圖6 在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的缺陷

圖7 考慮缺陷影響的計(jì)算的疲勞壽命

4 結(jié)論

1)利用弱磁和渦流檢測(cè)方法在線檢測(cè)連續(xù)油管實(shí)時(shí)測(cè)量壁厚、直徑及缺陷等參數(shù)，用測(cè)量值代替疲勞模型中壁厚、直徑等理論預(yù)測(cè)值，利用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)和疲勞壽命預(yù)測(cè)模型混合評(píng)價(jià)連續(xù)油管使用狀態(tài)的方法，提高疲勞壽命的預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2)根據(jù)預(yù)測(cè)壁厚減薄值來計(jì)算壽命在某些管段會(huì)過高估計(jì)損失量，但在有些管段會(huì)低估壁厚減薄量，疲勞計(jì)算不能獲得準(zhǔn)確值。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)管段由于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊工況造成的壁厚減薄的異常部位，提高疲勞模型輸入?yún)?shù)壁厚的準(zhǔn)確性。

3)疲勞模型中直徑增長(zhǎng)預(yù)測(cè)值根據(jù)理論預(yù)測(cè)增加或通過百分比進(jìn)行線性的增加，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)工況和實(shí)際測(cè)量情況，模型預(yù)測(cè)的直徑值與實(shí)際使用的情況存在差別。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量值是有必要的。

4)對(duì)于存在缺陷的連續(xù)油管疲勞壽命的評(píng)估方法需要不斷發(fā)展，利用無損檢測(cè)技術(shù)與疲勞壽命預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，對(duì)缺陷評(píng)估進(jìn)行定量化，使CT缺陷的綜合疲勞評(píng)估成為可能。這將定量評(píng)估連續(xù)油管剩余壽命，準(zhǔn)確給出連續(xù)油管剩余使用次數(shù)，提高連續(xù)油管作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。