曹志峰

（東營市特種設(shè)備檢驗所，山東 東營 257091）

目前國內(nèi)CNG加氣站多采用儲氣井等地下儲氣方式。儲氣井結(jié)構(gòu)簡單，一般僅由套管和上下封頭組成，且制造、施工質(zhì)量無法保障，在螺紋連接處、井口裝置、閥門處易發(fā)生泄露，從而造成泄漏事故不斷。例如，2005年臨潼蘭天油氣合建站CNG儲氣井冒井；2006年重慶白馬蕩CNG加氣站泄露爆炸。2008年10月31日原國家質(zhì)檢總局發(fā)布了《關(guān)于加強地下儲氣井安全監(jiān)察工作的通知》（質(zhì)檢辦特〔2008〕637號），確定由中國特種設(shè)備檢測研究院開展儲氣井定期檢驗試點工作。2014年4月10日質(zhì)檢總局《關(guān)于地下儲氣井安全監(jiān)察有關(guān)事項的公告》規(guī)定，儲氣井的定期檢驗應(yīng)當(dāng)由經(jīng)核準(zhǔn)的具備相應(yīng)壓力容器定期檢驗資格的檢驗機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。為更好地促進(jìn)儲氣井定期檢驗，文章對儲氣井強度評價進(jìn)行了分析。

1 評價前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行儲氣井合于使用評價前，評價所需的各項檢驗及試驗數(shù)據(jù)應(yīng)已獲取。評價所需的信息應(yīng)從現(xiàn)場記錄或檢驗試驗報告中提取，必要時可到現(xiàn)場提取相關(guān)信息。材料的常規(guī)物理性能和機(jī)械性能參量，以及強度評價、水壓試驗評價、固井水泥環(huán)評價以及加固評價所需的材料性能數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量采用實測值。在實測值無法取得的情況下，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗并參考相應(yīng)的設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)選取代用數(shù)據(jù)。當(dāng)材料牌號不清楚時，可選取同類材料的最低值。

2 破壞模式的確定

進(jìn)行合于使用評價前，應(yīng)判斷儲氣井的潛在破壞模式及其后果，并選擇相應(yīng)的評價計算方法。儲氣井常見的破壞模式有以下幾種。（1）受壓元件、部件金屬壁厚內(nèi)部或外部環(huán)境腐蝕，發(fā)生嚴(yán)重破損甚至穿透；（2）受壓元件、部件金屬受內(nèi)外部環(huán)境影響，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)生斷裂；（3）由于長期受循環(huán)載荷疲勞和腐蝕影響，螺紋連接強度減弱，接箍處發(fā)生滑脫；（4）螺紋連接密封面發(fā)生氣體泄漏；（5）由于頻繁充放氣引起儲氣井本體軸向伸縮，加上固井質(zhì)量較差或沒有固井，儲氣井失去應(yīng)有的約束力，整體出現(xiàn)明顯的上冒或下沉。

3 評價計算

評價人員應(yīng)保證計算的準(zhǔn)確性，評價計算中各步驟的計算結(jié)果應(yīng)具有不低于小數(shù)點后兩位的有效數(shù)字，各步驟內(nèi)的中間計算結(jié)果應(yīng)具有不低于小數(shù)點后三位的有效數(shù)字。評價人員應(yīng)保證計算結(jié)果的保守性，對于需要由經(jīng)驗確定的數(shù)據(jù)，如沒有把握建議選用最保守值。評價人員應(yīng)注意評價結(jié)論的全面性，對于具有多種潛在破壞模式的問題，應(yīng)分別計算，一一評價。

4 強度評價

有下列情況之一的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行強度評價：（1）腐蝕深度超過腐蝕裕量；（2）名義壁厚不明；（3）檢驗人員對強度有懷疑；（4）無設(shè)計圖紙。

強度評價應(yīng)遵循以下原則。（1）強度評價包括①井管剩余壁厚評價；②疲勞評價；③井筒連接強度評價；④井筒螺紋抗泄漏能力評價。其中第③、④項僅當(dāng)檢驗員對井筒連接強度或抗泄漏能力表示懷疑時進(jìn)行。（2）原設(shè)計已明確所用強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的，可按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強度校核；原設(shè)計沒有注明所依據(jù)的強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或者無強度計算的，原則上可以根據(jù)儲氣井的用途、結(jié)構(gòu)型式按當(dāng)時的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。（3）剩余壁厚按實測最小值減去至下次檢驗期的腐蝕量，作為強度校核的壁厚。（4）校核用壓力應(yīng)當(dāng)不小于儲氣井的實際最高工作壓力。

4.1 井管剩余壁厚評價

（1）井管剩余壁厚確定。按實測壁厚最小值減去至下次檢驗期的腐蝕量，作為強度校核的壁厚。

式中：t2為校核壁厚，mm；t1為實測的壁厚最小值，mm；△t為至下次檢驗期的腐蝕量，mm?！鱰應(yīng)根據(jù)腐蝕速率來確定，若無實測腐蝕速率數(shù)據(jù)，腐蝕速率一般根據(jù)開始使用時的壁厚與檢驗實測最小壁厚之差和使用時間來計算確定（計算值）。如果進(jìn)行了土壤腐蝕性檢測，一般取腐蝕速率的實測值與計算值的大值（對于固井質(zhì)量優(yōu)良且井下8m膠結(jié)良好儲氣井，實測值按80%計）。

腐蝕速率計算值：

式中：t0為井管出廠時的壁厚（當(dāng)無當(dāng)時實測壁厚時，取名義壁厚），mm；T1為制造完成（以下套管日期計）到本次檢驗的時間間隔，年；T2為當(dāng)前到下次檢驗期的時間間隔，年；v為腐蝕速率，mm/年。

（2）壁厚校核。壁厚校核原則上采用設(shè)計中的壁厚計算公式進(jìn)行校核。如果設(shè)計資料缺乏，采用式（4）進(jìn)行。

式中：δ為計算壁厚，mm；p為工作壓力，MPa；D0為套管外徑，mm；Sm為材料許用應(yīng)力，MPa。當(dāng)規(guī)范中查不到該數(shù)據(jù)時，按《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）取σs/1.5與σb/2.6的較小值。對于井筒材料屈服強度數(shù)據(jù)，當(dāng)只能獲取Rt0.5或Rt0.6時，取Rt0.5/n5或Rt0.6/n6為校核用屈服強度σs。其中n5（n6）為屈服強度修正系數(shù)，依據(jù)該材料Rt0.5/Rp0.2（Rt0.6/Rp0.2）試驗值按偏保守確定。

若t2＞δ，該儲氣井允許使用。否則，不允許在該工作壓力下繼續(xù)使用。若使用單位采取降低工作壓力的使用措施，則根據(jù)降低后工作壓力重新進(jìn)行評價。

4.2 疲勞評價

參照《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）對儲氣井進(jìn)行疲勞分析，分析部位應(yīng)包括井管、接箍、井筒螺紋。井管壁厚取剩余壁厚，壓力循環(huán)范圍應(yīng)取最低工作壓力到最高工作壓力。疲勞評價用S-N曲線取《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）附錄C的圖C-1（σb=703～896MPa對應(yīng)曲線），或井筒材料的試驗疲勞曲線。

疲勞壽命能達(dá)到下次檢驗日期為合格。

5 局部腐蝕減薄評價

5.1 適用條件

（1）當(dāng)儲氣井井筒材質(zhì)明確、材質(zhì)書內(nèi)容完整、未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)劣化或劣化傾向，并且斷后伸長率A大于18%、沖擊功（橫向）KV2大于41J時，儲氣井的最低工作溫度不低于-20℃，可采用本文方法進(jìn)行評價。（2）本文評價方法適用于下列缺陷：①局部減薄缺陷（如局部腐蝕減?。?，且半長小于等于，但其周圍不得有裂紋等面型缺陷。②缺陷的深度C小于壁厚T的70%，且缺陷底部最小壁厚（T-C）不小于2mm。（3）其他說明：①當(dāng)存在兩個或兩個以上腐蝕減薄缺陷時，若兩個腐蝕減薄缺陷邊緣最小間距大于較小腐蝕減薄缺陷的長軸，則將兩個減薄視為獨立的單個腐蝕減薄進(jìn)行評價，否則應(yīng)將兩個局部減薄合并為一個腐蝕減薄進(jìn)行評價。②評價所用材料參數(shù)，取材質(zhì)書中材料標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的材料性能下限值。③缺陷的規(guī)則化參照《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法，H.6.1.1壁厚局部減薄缺陷的規(guī)則化執(zhí)行。

5.2 極限承載能力評價

采用《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法或有限元方法對含腐蝕減薄的儲氣井井筒進(jìn)行極限承載能力評價。

（1）按照《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法進(jìn)行評價。考慮儲氣井結(jié)構(gòu)為長管狀的特點，依照《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）附錄H壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法將腐蝕減薄缺陷當(dāng)作直管體積型缺陷進(jìn)行評價。

①符號及取值說明。T為儲氣井評價計算壁厚，mm，取缺陷附近管道實測壁厚與至下一個檢驗周期末的腐蝕量之差，腐蝕量宜根據(jù)實測腐蝕速率確定；R0為儲氣井管外半徑，mm；Ri為儲氣井管內(nèi)半徑，mm；σs為儲氣井管材料屈服強度，MPa；A為規(guī)則化之后的缺陷軸向半長，mm；a為無量綱化的缺陷相對軸向長度，無量綱；B為規(guī)則化之后的缺陷環(huán)向半長，mm；b為無量綱化的缺陷相對環(huán)向長度，無量綱；C為缺陷深度，mm，取實測最大減薄深度與至下一個檢驗周期末體積缺陷擴(kuò)展量之和，擴(kuò)展量宜根據(jù)實測腐蝕速率確定；c為以評價計算壁厚無量綱化的相對深度，無量綱；nj為安全系數(shù)，取nj=2.0。

②評價計算。

若工作壓力P＜Pmax，則評價通過；否則，評價不通過。

（2）采用有限元方法評價。根據(jù)儲氣井的規(guī)格和局部腐蝕減薄缺陷尺寸，采用材料實際應(yīng)力-應(yīng)變曲線（或假定材料為理想彈塑性），建立有限元模型進(jìn)行非線性有限元計算。以局部減薄部位的應(yīng)變作為變形變量，采用2倍彈性斜率準(zhǔn)則求取極限內(nèi)壓載荷PLF。若工作壓力，則評價通過；否則，評價不通過。

5.3 局部腐蝕減薄缺陷的疲勞分析

計算時施加的內(nèi)壓載荷為儲氣井工作壓力P（壓力循環(huán)的下限和上限），進(jìn)行線彈性有限元應(yīng)力分析計算，結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大第三強度理論等效應(yīng)力（SINT）即為峰值應(yīng)力強度SV。假設(shè)每次充裝時，儲氣井壓力變化范圍的峰值應(yīng)力范圍為SV1～SV2，則可按式（14）計算峰值應(yīng)力強度幅Salt：

查《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）得疲勞循環(huán)次數(shù)下允許的應(yīng)力幅值[Salt]，若Salt≤[Salt]，則評價通過，否則不通過。

6 結(jié)束語

文章根據(jù)對儲氣井失效形式的分析，提出了強度校核的方法，對儲氣井定期檢驗提供了參考。儲氣井強度校核還有井筒連接強度校核、局部腐蝕減薄評價、極限承載能力評價、局部腐蝕減薄缺陷的疲勞分析等，需進(jìn)一步研究。