高含硫油气井套管安全系数的合理取值

随着高含硫油气田的开发,油套管的工作环境也趋于恶劣和复杂。在酸性条件下,油套管的屈服失效准则已不适用,环境断裂是主要的失效模式,即使满足按屈服准则设计的安全系数,仍不能保证结构的安全。提出了以环境断裂力学评价为基础的油套管适用性评价方法——以环境断裂临界应力百分比为基础进行管柱强度安全系数的设计。本评价方法的标准是:在工作条件下,只要油井管环境断裂临界应力不小于所要求的油井管屈服强度相应的百分比,油井管就能安全运行。环境断裂临界应力的试验评价方法通常采用NACE方法A即NACE标准恒载荷延伸试验方法,对该方法及相关的数据处理作了介绍。同时结合本评价方法,对国外有关的环境断裂临界应力的相关标准进行了研究。     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料,但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此,在考虑制造缺陷的条件下,通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度,并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比,得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律,最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明:①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降,在径厚比值较低时,钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大,而当径厚比值较高时,钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管;②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近,同时在径厚比大于15时,计算结果乘以0.9的系数,具有较好的安全性。结论认为,该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度，低弹性模量，优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性，已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料，但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此，在考虑制造缺陷的条件下，通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度，并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比，得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律，最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明：①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降，在径厚比值较低时，钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大，而当径厚比值较高时，钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管；②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近，同时在径厚比大于15时，计算结果乘以0.9的系数，具有较好的安全性。结论认为，该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

用双准则法对反应器和再生器的断裂安全分析

双准则法的前提是,假设外加载荷达到两个载荷(由弹性断裂力学判定的、引起脆性破坏的载荷与由流变应力同结构几何决定的失稳载荷)中的较小载荷时,设备发生破坏。采用条型屈服模型描述过渡区。其断裂安全分析通过安全评定图进行。使用评定曲线可方便地确定材料断裂韧性的最小容许值,便于选材。该方法的评定结果与一般断裂力学方法的评定结果有较好的一致性。     

三种套管接头抗压缩性能研究

针对套管接头抗压缩强度问题，使用全尺寸实物试验的方法对几种不同钢级、不同螺纹形式的套管接头的抗压缩强度进行了对比试验，并借助材料力学和有限元方法对试验结果进行了分析。实物试验中出现了管体失稳和接箍跳扣两种套管接头压缩失效形式。试验结果和分析结果表明，N80、P110钢级材料的压缩屈服强度高于拉伸屈服强度；偏梯形螺纹套管接头的压缩屈服强度比同钢级、同壁厚特殊扣螺纹套管接头低6.7%～7.7%；上扣是否到位，直接影响套管接头部分的抗压缩能力，上扣不到位的特殊螺纹套管接头的抗压缩性能甚至低于偏梯形螺纹接头。同时指出，为了保证上扣质量，不应使用浮动上扣方法，管柱设计中应进行抗压缩强度设计。     

油、套管抗内压爆裂设计研究

三高(高压、高产及高含H2S)气井中的油、套管设计,按现行API 5C3标准,油、套管强度常常不能满足设计要求,许多套管的实际安全系数低于设计标准,给设计造成一定的困惑。ISO10400:2007给出了两端堵口的油、套管抗内压韧性爆裂模型,但计算精度不够理想,而且有些预测值要明显高于实物爆裂值。为此,根据材料屈强比对油、套管爆裂强度影响规律进行研究,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型。数据计算对比表明,油、套管抗内压爆裂计算新模型的计算值与实物爆裂值吻合。该研究方法对优化油、套管设计和改善油、套管制造质量提供了重要的参考依据。     

海上某高温高压高含CO_2构造气井油套管材料优选

海上某高温高压高含CO_2气井管材面临严酷的腐蚀环境,无法按照中海油和油套管厂家选材图版进行合理选材,针对该难题,利用高温高压腐蚀测试平台,模拟该构造腐蚀环境,针对4个油套管厂家的7种材质进行了测试,得到了各种材质在气相和液相腐蚀环境中的腐蚀速率,据此给出该气田合理的油套管选材推荐。     

油管套管抗内压强度计算研究

高温高压高含硫气井中的油管、套管一旦爆裂失效,将可能导致油套串通,甚至含硫气体串出地面,危害性较大。因此,在油管、套管强度设计中,不但要合理地计算出最小的抗内压屈服强度,而且还要准确地预测出极限强度即爆裂强度。针对API Bulletin 5C3:1994屈服计算公式存在的不足以及ISO/TR 10400:2007爆裂强度计算模型计算精度不够理想的问题,根据屈强比（Y/T）对油管、套管爆裂失效强度影响规律,提出了具有更高精度的油管、套管抗内压爆裂计算新模型,通过与试验数据计算对比,证明了新模型的可靠性和合理性,对优化“三高”气井油管、套管抗内压强度设计提供了新的参考依据。     

纯外压下套管弹塑性抗挤强度的计算

采用双剪统一强度理论,推导出理想套管的弹性极限外压的计算公式,并考虑到实际制造缺陷进行了修正。将采用不同屈服准则的计算结果与试验值及API公式计算结果做了比较,证明计算新公式更符合Tresca准则,并可准确地预计套管的实际抗挤强度。探讨了材料的SD效应和初始几何缺陷在不同数量级下对套管抗挤强度的影响,为套管的制造提供了重要依据。     

含微裂纹油井套管的抗内压断裂强度预测

API 5C3抗内压屈服设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,管内壁开始屈服并不会丧失密封和结构的完整性,内壁屈服在实际试验和现场应用中都体现不出来,爆裂能真实体现套管丧失密封的完整性.当裂纹深度大于管壁厚的5%时,失效形式是一种裂纹扩展失稳,应采用基于断裂力学理论的裂纹失稳断裂公式来预测套管的断裂压力,并与ISO的韧性爆裂压力对比,以二者中小者为准.ISO10400:2007给出了油井套管的JIC值,由JIC和油井套管临界应力强度因子KIc的关系可求得油井套管的KIC值,根据KIC与预测断裂压力的失效评估图(failure assessment diagram,FAD)就可以预测出不同裂纹深度油井套管的抗内压断裂强度.FAD为油井套管的抗内压设计提供了一种重要的参考依据.     

X80钢CTOD有限元计算及断裂韧度评估

针对钢结构在外力作用下由于自身材料断裂韧度不足引起的断裂事故,按照Wells提出的CTOD断裂判据,建立X80钢薄板在受外载作用下的力学模型,并对其断裂韧度的安全性进行了评估。在裂纹体受载后,对原裂纹尖端垂直于裂纹方向的裂纹尖端张开位移δ进行了有限元计算,提出了K-δ方法、COD-δ方法和J-δ方法等有限元计算方法,且与断裂力学理论计算的δ结果误差极小。同时对X80钢断裂韧度按照BS 7448规范进行了测试,裂纹尖端张开位移的有限元计算方法和断裂韧度测试结果可供企业和科研院所参考。     

管线钢平面应变断裂韧性经验模型研究

为了研究高钢级管线钢断裂韧性受试样厚度影响的变化规律,对X80管线钢不同厚度的试样进行了系列断裂韧性试验,建立了X80管线钢平面应变断裂韧性和临界壁厚关系的经验估算模型。基于试验结果以及三维断裂力学理论和准则,对所建立的经验模型进行了验证。结果表明,对于X80管材,平面应变的临界壁厚大约在50 mm,与厚壁弯管的爆破试验结果基本吻合;经验估算模型的预测结果较为准确,能够满足工程应用的需要。     

钻柱材料的动态断裂特性冲击试验台研制

针对现有动态断裂测试方法的不足,参照夏比冲击试验方法,研制了钻柱材料的动态断裂特性冲击试验台。该试验台在试验过程中可通过计数器读取试件断裂前的打击次数,根据打击次数可以算出试件断裂的累积能量。对钻柱材料动态断裂特性的测试表明,用该冲击试验台测出的动态断裂韧性比1次冲击测出准确,更能够反映材料的多冲动态断裂韧性,为材料的鉴别提供了一种可靠的测试手段,也为研究评价钻柱材料的动态断裂韧性提供了一种测试方法。     

SA516-Gr70钢焊接接头低温断裂阻力研究

采用CTOD试验方法,对SA516-Gr70低温钢窄间隙自动焊焊接接头不同区域、不同取样位置的低温CTOD断裂阻力曲线及其特征值进行了比较研究,结果表明,焊接接头中存在着明显的力学性能不均匀性;焊缝金属和熔合区的低温断裂韧性均优于母材金属;沿板厚方向,后焊区域的低温断裂韧性优于高于先焊区域。     

管线钢管韧性的设计和预测

韧性的设计和预测是油气管线设计的重要内容。基于油气管线脆性断裂的防止、裂纹起裂阻力的优化和延性断裂扩展的控制,本研究对管线钢管的脆性断裂韧性、起裂韧性和延性断裂止裂韧性的设计和预测进行了分析和讨论。管线钢管的脆性断裂韧性设计以在最低运行温度下,DWTT试样85%SA作为设计和评定的标准;当进行起裂韧性设计和预测时,以最大理论临界裂纹尺寸的90%作为钢管所容忍的临界裂纹尺寸,临界裂纹尺寸所对应的韧性即为起裂韧性;天然气管道延性断裂止裂韧性设计的基本方法为Battlle双曲线方法及其简化公式。     

油井水泥石断裂韧性的实验研究

固井施工时,由于原因,会在水泥石中形成裂缝等初始缺陷;在射孔等作业中,在冲击载荷作用下,裂缝将迅速扩展产生大裂缝,容易造成含油夹层段窜槽,给开发等工作带来不利影响。文中引入水泥石的断裂韧性这一概念进行了增强经石断裂韧性机理分析,并分别采用“霍布金森法”和“焦散线法”进行了不同配方水泥石的动态断裂韧性测定实验,对增强水泥石断裂韧性的有效途径进行了实验探索,并结合模拟射孔实验结果,提出了能够抵抗射孔冲     

乙烯裂解炉管断裂性能研究

某厂为了加强乙烯裂解炉炉管的检验工作,拟通过涡流探伤方法进行检测炉管,为此在前期准备工作中进行了裂解炉管的断裂性能的研究工作。本文通过对该厂三种不同状态的裂解炉管常温断裂韧性试验,得出裂解炉管的常温断裂韧性,为炉管涡流探伤的评定工作做好技术准备。     

球形压力容器用钢的断裂韧性与最低使用温度

针对钢制球形压力容器用 1 6MnR钢在 -3 0°C的低温韧性不能达到GB1 50— 1 998《钢制压力容器》标准要求的问题 ,对 1 8、 3 6和 4 0mm的 3种厚度球形压力容器用 1 6MnR钢板做了系列低温断裂韧性测试 ,测试结果表明 ,由断裂韧性测得的韧脆转变温度远低于由夏比冲击韧性测得的韧脆转变温度。对厚度为 3 6mm钢板制成的球形压力容器按 -3 0℃设计温度进行安全性评定 ,研究结果表明 ,埋藏缺陷的等效裂纹尺寸小于允许裂纹尺寸 ,容器有很大的缺陷容限 ;3种厚度的1 6MnR钢制球形压力容器可在西北某石油化工厂所在地区室外环境温度下安全使用。     

油气输送管材料阻力曲线试验研究

针对油气输送管壁薄、高韧性的特点 ,从管体上取样进行了J积分测试 ,以寻找一种有效控制管道断裂的控制指标。试验按照GB2 0 38标准要求 ,采用三点弯曲试样 ,分别对进口X52ERW焊管母材、焊缝以及国产X60SSAW焊管母材、焊缝、热影响区进行系列温度J积分试验。结果表明 ,温度变化对两种焊管各区J积分测试值影响不大。前者的韧脆转化温度约为 - 60℃ ,后者的韧脆转化温度低于 - 60℃。给出了两种焊管母材的焊区JR 阻力曲线的回归方程。对ERW和SSAW焊管各区JR 值进行对比分析表明 ,焊缝JR 值高于母材。在管道设计与安全评价中 ,采用焊管各区JR 断裂韧性和阻力曲线下回归方程和 (或 )母材JR 阻力曲线 ,可得到偏于安全的结果     

X70管线钢焊接接头断裂韧性分析

裂纹尖端张开位移（CTOD）试验常被用来进行材料的韧性评价。详细介绍了CTOD试验的过程、操作步骤及计算拟合方法。并采用裂纹尖端张开位移试验对X70管线钢焊接接头处焊缝、热影响区（HAZ）和母材进行了断裂韧性的测试研究。结果表明,在同一温度下,CTOD特征值δ0.05,δ0.5和δ0.2BL均呈现母材最大、热影响区次之、焊缝最小,即母材断裂韧性最优、热影响区次之、焊缝最差。