CNG储气井强度评价研究

曹志峰

（东营市特种设备检验所，山东 东营 257091）

目前国内CNG加气站多采用储气井等地下储气方式。储气井结构简单，一般仅由套管和上下封头组成，且制造、施工质量无法保障，在螺纹连接处、井口装置、阀门处易发生泄露，从而造成泄漏事故不断。例如，2005年临潼兰天油气合建站CNG储气井冒井；2006年重庆白马荡CNG加气站泄露爆炸。2008年10月31日原国家质检总局发布了《关于加强地下储气井安全监察工作的通知》（质检办特〔2008〕637号），确定由中国特种设备检测研究院开展储气井定期检验试点工作。2014年4月10日质检总局《关于地下储气井安全监察有关事项的公告》规定，储气井的定期检验应当由经核准的具备相应压力容器定期检验资格的检验机构负责。为更好地促进储气井定期检验，文章对储气井强度评价进行了分析。

1 评价前的准备工作

在进行储气井合于使用评价前，评价所需的各项检验及试验数据应已获取。评价所需的信息应从现场记录或检验试验报告中提取，必要时可到现场提取相关信息。材料的常规物理性能和机械性能参量，以及强度评价、水压试验评价、固井水泥环评价以及加固评价所需的材料性能数据，应尽量采用实测值。在实测值无法取得的情况下，应根据经验并参考相应的设计制造标准选取代用数据。当材料牌号不清楚时，可选取同类材料的最低值。

2 破坏模式的确定

进行合于使用评价前，应判断储气井的潜在破坏模式及其后果，并选择相应的评价计算方法。储气井常见的破坏模式有以下几种。（1）受压元件、部件金属壁厚内部或外部环境腐蚀，发生严重破损甚至穿透；（2）受压元件、部件金属受内外部环境影响，产生应力腐蚀裂纹，进一步扩展发生断裂；（3）由于长期受循环载荷疲劳和腐蚀影响，螺纹连接强度减弱，接箍处发生滑脱；（4）螺纹连接密封面发生气体泄漏；（5）由于频繁充放气引起储气井本体轴向伸缩，加上固井质量较差或没有固井，储气井失去应有的约束力，整体出现明显的上冒或下沉。

3 评价计算

评价人员应保证计算的准确性，评价计算中各步骤的计算结果应具有不低于小数点后两位的有效数字，各步骤内的中间计算结果应具有不低于小数点后三位的有效数字。评价人员应保证计算结果的保守性，对于需要由经验确定的数据，如没有把握建议选用最保守值。评价人员应注意评价结论的全面性，对于具有多种潜在破坏模式的问题，应分别计算，一一评价。

4 强度评价

有下列情况之一的，应当进行强度评价：（1）腐蚀深度超过腐蚀裕量；（2）名义壁厚不明；（3）检验人员对强度有怀疑；（4）无设计图纸。

强度评价应遵循以下原则。（1）强度评价包括①井管剩余壁厚评价；②疲劳评价；③井筒连接强度评价；④井筒螺纹抗泄漏能力评价。其中第③、④项仅当检验员对井筒连接强度或抗泄漏能力表示怀疑时进行。（2）原设计已明确所用强度设计标准的，可按该标准进行强度校核；原设计没有注明所依据的强度设计标准或者无强度计算的，原则上可以根据储气井的用途、结构型式按当时的有关标准进行校核。（3）剩余壁厚按实测最小值减去至下次检验期的腐蚀量，作为强度校核的壁厚。（4）校核用压力应当不小于储气井的实际最高工作压力。

4.1 井管剩余壁厚评价

（1）井管剩余壁厚确定。按实测壁厚最小值减去至下次检验期的腐蚀量，作为强度校核的壁厚。

式中：t2为校核壁厚，mm；t1为实测的壁厚最小值，mm；△t为至下次检验期的腐蚀量，mm。△t应根据腐蚀速率来确定，若无实测腐蚀速率数据，腐蚀速率一般根据开始使用时的壁厚与检验实测最小壁厚之差和使用时间来计算确定（计算值）。如果进行了土壤腐蚀性检测，一般取腐蚀速率的实测值与计算值的大值（对于固井质量优良且井下8m胶结良好储气井，实测值按80%计）。

腐蚀速率计算值：

式中：t0为井管出厂时的壁厚（当无当时实测壁厚时，取名义壁厚），mm；T1为制造完成（以下套管日期计）到本次检验的时间间隔，年；T2为当前到下次检验期的时间间隔，年；v为腐蚀速率，mm/年。

（2）壁厚校核。壁厚校核原则上采用设计中的壁厚计算公式进行校核。如果设计资料缺乏，采用式（4）进行。

式中：δ为计算壁厚，mm；p为工作压力，MPa；D0为套管外径，mm；Sm为材料许用应力，MPa。当规范中查不到该数据时，按《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—1995）取σs/1.5与σb/2.6的较小值。对于井筒材料屈服强度数据，当只能获取Rt0.5或Rt0.6时，取Rt0.5/n5或Rt0.6/n6为校核用屈服强度σs。其中n5（n6）为屈服强度修正系数，依据该材料Rt0.5/Rp0.2（Rt0.6/Rp0.2）试验值按偏保守确定。

若t2＞δ，该储气井允许使用。否则，不允许在该工作压力下继续使用。若使用单位采取降低工作压力的使用措施，则根据降低后工作压力重新进行评价。

4.2 疲劳评价

参照《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—1995）对储气井进行疲劳分析，分析部位应包括井管、接箍、井筒螺纹。井管壁厚取剩余壁厚，压力循环范围应取最低工作压力到最高工作压力。疲劳评价用S-N曲线取《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—1995）附录C的图C-1（σb=703～896MPa对应曲线），或井筒材料的试验疲劳曲线。

疲劳寿命能达到下次检验日期为合格。

5 局部腐蚀减薄评价

5.1 适用条件

（1）当储气井井筒材质明确、材质书内容完整、未发现材质劣化或劣化倾向，并且断后伸长率A大于18%、冲击功（横向）KV2大于41J时，储气井的最低工作温度不低于-20℃，可采用本文方法进行评价。（2）本文评价方法适用于下列缺陷：①局部减薄缺陷（如局部腐蚀减薄），且半长小于等于，但其周围不得有裂纹等面型缺陷。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）其他说明：①当存在两个或两个以上腐蚀减薄缺陷时，若两个腐蚀减薄缺陷边缘最小间距大于较小腐蚀减薄缺陷的长轴，则将两个减薄视为独立的单个腐蚀减薄进行评价，否则应将两个局部减薄合并为一个腐蚀减薄进行评价。②评价所用材料参数，取材质书中材料标准对应的材料性能下限值。③缺陷的规则化参照《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）附录H压力管道直管段体积缺陷安全评定方法，H.6.1.1壁厚局部减薄缺陷的规则化执行。

5.2 极限承载能力评价

采用《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）附录H压力管道直管段体积缺陷安全评定方法或有限元方法对含腐蚀减薄的储气井井筒进行极限承载能力评价。

（1）按照《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）附录H压力管道直管段体积缺陷安全评定方法进行评价。考虑储气井结构为长管状的特点，依照《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）附录H压力管道直管段体积缺陷安全评定方法将腐蚀减薄缺陷当作直管体积型缺陷进行评价。

①符号及取值说明。T为储气井评价计算壁厚，mm，取缺陷附近管道实测壁厚与至下一个检验周期末的腐蚀量之差，腐蚀量宜根据实测腐蚀速率确定；R0为储气井管外半径，mm；Ri为储气井管内半径，mm；σs为储气井管材料屈服强度，MPa；A为规则化之后的缺陷轴向半长，mm；a为无量纲化的缺陷相对轴向长度，无量纲；B为规则化之后的缺陷环向半长，mm；b为无量纲化的缺陷相对环向长度，无量纲；C为缺陷深度，mm，取实测最大减薄深度与至下一个检验周期末体积缺陷扩展量之和，扩展量宜根据实测腐蚀速率确定；c为以评价计算壁厚无量纲化的相对深度，无量纲；nj为安全系数，取nj=2.0。

②评价计算。

若工作压力P＜Pmax，则评价通过；否则，评价不通过。

（2）采用有限元方法评价。根据储气井的规格和局部腐蚀减薄缺陷尺寸，采用材料实际应力-应变曲线（或假定材料为理想弹塑性），建立有限元模型进行非线性有限元计算。以局部减薄部位的应变作为变形变量，采用2倍弹性斜率准则求取极限内压载荷PLF。若工作压力，则评价通过；否则，评价不通过。

5.3 局部腐蚀减薄缺陷的疲劳分析

计算时施加的内压载荷为储气井工作压力P（压力循环的下限和上限），进行线弹性有限元应力分析计算，结构内的最大第三强度理论等效应力（SINT）即为峰值应力强度SV。假设每次充装时，储气井压力变化范围的峰值应力范围为SV1～SV2，则可按式（14）计算峰值应力强度幅Salt：

查《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—1995）得疲劳循环次数下允许的应力幅值[Salt]，若Salt≤[Salt]，则评价通过，否则不通过。

6 结束语

文章根据对储气井失效形式的分析，提出了强度校核的方法，对储气井定期检验提供了参考。储气井强度校核还有井筒连接强度校核、局部腐蚀减薄评价、极限承载能力评价、局部腐蚀减薄缺陷的疲劳分析等，需进一步研究。