， ，，，，

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院, 合肥 230051)

CNG(壓縮天然氣)地下儲(chǔ)氣井作為一種埋地高壓容器，在我國(guó)已使用了近30 a。因其相比儲(chǔ)氣瓶、儲(chǔ)氣罐等具有安全性強(qiáng)、儲(chǔ)氣量大、使用效率高、節(jié)省空間、使用成本低等特點(diǎn)[1]，地下儲(chǔ)氣井已成為我國(guó)CNG加氣站的主要儲(chǔ)氣設(shè)備，使用率約80%，各高校和科研機(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了相關(guān)研究，有關(guān)儲(chǔ)氣井檢驗(yàn)檢測(cè)的理論、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范正逐步完善，但“超規(guī)范、超標(biāo)準(zhǔn)”仍普遍存在[2]，特別在儲(chǔ)氣井的定期檢測(cè)方面，缺乏統(tǒng)一的缺陷標(biāo)定樣管、參考標(biāo)定信號(hào)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)儲(chǔ)氣井檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，因此有必要研制儲(chǔ)氣井缺陷的標(biāo)定樣管。

1 缺陷標(biāo)定樣管的研制

1.1 樣管材料與規(guī)格

由于儲(chǔ)氣井的設(shè)計(jì)和制造思路來(lái)源于石油井的設(shè)計(jì)和制造，因此我國(guó)儲(chǔ)氣井套管材料最原始參照的標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)氣井套管材料等級(jí)、性能參數(shù)、加工方法和套管規(guī)格做了詳細(xì)規(guī)定，先后在SY/T 6535-2002《高壓氣地下儲(chǔ)氣井》、《關(guān)于加強(qiáng)地下儲(chǔ)氣井安全監(jiān)察工作的通知》(質(zhì)檢辦特〔2008〕637號(hào))、《質(zhì)檢總局關(guān)于地下儲(chǔ)氣井安全監(jiān)察有關(guān)事項(xiàng)的公告》(2014年第42號(hào))、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對(duì)儲(chǔ)氣井套管材料規(guī)格做了規(guī)定，綜合上述要求，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，考慮樣管制作的加工難度和參考價(jià)值，確定了樣管的材料與規(guī)格(外徑×壁厚×長(zhǎng)度)，如表1所示。

表1 樣管的材料與規(guī)格

1.2 儲(chǔ)氣井檢測(cè)重點(diǎn)缺陷與標(biāo)準(zhǔn)缺陷形式

根據(jù)儲(chǔ)氣井使用的環(huán)境特點(diǎn)、負(fù)載循環(huán)工況、內(nèi)外表面接觸介質(zhì)特性以及儲(chǔ)氣井的制造工藝，從損傷模式識(shí)別角度進(jìn)行分析，儲(chǔ)氣井套管損傷模式可分為10種[3]，失效模式可分為4種[2]。根據(jù)儲(chǔ)氣井定期檢測(cè)過(guò)程中采集到的信號(hào)和數(shù)據(jù)，首先直接分析得到的是套管缺陷的信號(hào)特征；之后可結(jié)合其他影響因素綜合分析確定其損傷模式，評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣井的安全狀況，并進(jìn)一步制定防護(hù)管理方案，其流程如圖1所示。從信號(hào)采集分析、缺陷識(shí)別和標(biāo)準(zhǔn)缺陷制作角度考慮，分析出儲(chǔ)氣井檢測(cè)中的重點(diǎn)缺陷對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷的制作更加有利，因此著重從儲(chǔ)氣井檢測(cè)中的重點(diǎn)缺陷出發(fā)，分析其特點(diǎn),進(jìn)而確定樣管標(biāo)準(zhǔn)缺陷的形式，標(biāo)準(zhǔn)缺陷的制作流程如圖2所示。

圖1 儲(chǔ)氣井檢測(cè)流程

圖2 標(biāo)準(zhǔn)缺陷制作流程

1.2.1 裂紋與開(kāi)裂

儲(chǔ)氣井套管在交變工作載荷、外部復(fù)雜地下土壤環(huán)境和內(nèi)部復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境共同作用下，容易產(chǎn)生材料力學(xué)性能和抗疲勞性能降低，發(fā)生疲勞裂紋、腐蝕疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、脆性斷裂以及腐蝕減薄引起開(kāi)裂的可能性增大。我國(guó)從開(kāi)始使用儲(chǔ)氣井至今，以儲(chǔ)氣井套管裂紋與開(kāi)裂造成的事故最為惡劣，如四川宜賓天池加油加氣站儲(chǔ)氣井竄井事故的原因就是儲(chǔ)氣井套管的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

裂紋與開(kāi)裂缺陷的檢測(cè)難度較大，加上儲(chǔ)氣井套管埋于地下，管壁內(nèi)外環(huán)境復(fù)雜，以及我國(guó)對(duì)在用儲(chǔ)氣井套管裂紋和開(kāi)裂的研究仍然不夠深入，缺乏裂紋與開(kāi)裂缺陷的參考標(biāo)定和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

參考NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》、API Spec 5CT，擬在樣管上設(shè)置系列人工反射體作為預(yù)置缺陷，以其試驗(yàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)特征作為裂紋與開(kāi)裂缺陷的判別評(píng)定依據(jù)，具體做法為：在標(biāo)訂樣管內(nèi)外表面的軸向和周向設(shè)置不同尺寸、高精度的縱向矩形槽，作為縱向裂紋和開(kāi)裂缺陷的標(biāo)定缺陷；在周向上設(shè)置不同尺寸、高精度的橫向矩形槽和環(huán)形槽，作為套管橫向裂紋與開(kāi)裂缺陷的標(biāo)定缺陷。標(biāo)定缺陷具體尺寸和分布如表2～5所示，以這些標(biāo)定缺陷在試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)為基礎(chǔ)，總結(jié)分析裂紋與開(kāi)裂的信號(hào)特征，得到裂紋和開(kāi)裂缺陷的定性和量化評(píng)價(jià)依據(jù)，縱向與橫向標(biāo)定缺陷形式如圖3所示。

圖3 縱、橫向標(biāo)定缺陷形式示意

1.2.2 壁厚減薄

儲(chǔ)氣井套管壁厚減薄是在用儲(chǔ)氣井最常見(jiàn)的缺陷，成因最多，對(duì)儲(chǔ)氣井性能影響也最廣泛，最直接的影響是使得套管強(qiáng)度下降，而壁厚減薄到臨界點(diǎn)時(shí)，套管強(qiáng)度便無(wú)法滿足儲(chǔ)氣井的使用要求。安徽省一口儲(chǔ)氣井在使用3年后首次定期檢驗(yàn)時(shí)，其壁厚就已減薄至無(wú)法滿足使用要求而報(bào)廢，四川省一口儲(chǔ)氣井因下封頭附近套管腐蝕減薄穿孔而發(fā)生爆炸事故[4]。

壁厚減薄的檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)特征明顯，相比較其他缺陷更容易判定，所以相關(guān)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展最為完善，從壁厚減薄的形式上區(qū)分，可大體分為點(diǎn)孔減薄、局部減薄和均勻減薄。

目前，我國(guó)的檢測(cè)技術(shù)已能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)均勻減薄和局部減薄程度，但缺乏統(tǒng)一的標(biāo)定樣管，對(duì)最具危險(xiǎn)性的針孔腐蝕尚未做系統(tǒng)研究。針對(duì)以上問(wèn)題，提出的解決方法是在標(biāo)定樣管上設(shè)置系列階梯環(huán)和平底孔，階梯環(huán)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)可用于套管局部減薄和均勻減薄的標(biāo)定信號(hào)采集和基準(zhǔn)靈敏度確定，平底孔用于點(diǎn)孔減薄標(biāo)定信號(hào)采集和檢測(cè)靈敏度研究。階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷形式如圖4所示。

圖4 階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷形式示意

2 標(biāo)定缺陷分布

2.1 裂紋與開(kāi)裂標(biāo)定缺陷分布

2.1.1 縱向矩形槽分布

選用兩根材料為N80，規(guī)格為φ244.48 mm×11.99 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管，記為1#和 2#樣管，在平行于管軸方向設(shè)置縱向矩形槽，要求矩形槽的兩個(gè)側(cè)面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm處開(kāi)設(shè)第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm開(kāi)設(shè)一組矩形槽，每組5個(gè)矩形槽沿周向均布，1#樣管開(kāi)設(shè)10組，2#樣管開(kāi)設(shè)12組，兩根標(biāo)定樣管上矩形槽具體尺寸(長(zhǎng)×寬×深)和分布位置如表2，3所示。

表2 1#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

表3 2#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

2.1.2 橫向矩形槽分布

選用兩根材料為N80，規(guī)格為φ177.8 mm×10.36 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管，記為3#和4#樣管，在垂直于管軸方向設(shè)置橫向矩形槽，要求矩形槽的兩個(gè)側(cè)面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm設(shè)置第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm處設(shè)置一組矩形槽，每組5個(gè)矩形槽沿周向均布，3#樣管開(kāi)設(shè)10組，4#樣管開(kāi)設(shè)12組，前6組為矩形槽，后6組為環(huán)形槽，兩根標(biāo)定樣管上的矩形槽具體尺寸和分布位置如表4，5所示。

2.2 階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷

選用1根材料為P110，規(guī)格為φ244.48 mm×11.05 mm×1 400 mm的標(biāo)定樣管作為5#樣管，設(shè)置階梯環(huán)和系列平底孔，其具體尺寸和分布示意如圖5所示。

表4 3#樣管矩形槽尺寸和分布位置 mm

表5 4#樣管矩形槽和環(huán)形槽尺寸和分布位置 mm

圖5 5#樣管階梯環(huán)和平底孔分布示意

圖6 試制樣管外觀

圖7 試制的標(biāo)定缺陷外觀

3 標(biāo)定樣管的試制與初步驗(yàn)證

課題組根據(jù)以上確定的缺陷標(biāo)定樣管的材料、標(biāo)定的缺陷形式、尺寸和分布，試制了一套標(biāo)定樣管并進(jìn)行初步驗(yàn)證試驗(yàn)。試制的樣管與標(biāo)定缺陷外觀如圖6,7所示。

裂紋與開(kāi)裂缺陷的檢測(cè)難度較大，需要后期深入研究，故選擇階梯環(huán)和平底孔標(biāo)定缺陷樣管進(jìn)行初步驗(yàn)證試驗(yàn)。

儲(chǔ)氣井綜合試驗(yàn)平臺(tái)可模擬實(shí)際儲(chǔ)氣井套管的工況和檢驗(yàn)環(huán)境。利用此平臺(tái)對(duì)5#樣管進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，分別得到階梯環(huán)缺陷和平底孔缺陷處的信號(hào)特征(見(jiàn)圖8)。

從圖8(a)可知，從最左端向右表示樣管從階梯環(huán)最低階梯處向正常管壁過(guò)渡，從圖中可以看出樣管壁厚從薄到厚過(guò)渡明顯，且階梯狀過(guò)渡明顯，與實(shí)際設(shè)置的標(biāo)定缺陷相符。

從圖8(b)可知:當(dāng)標(biāo)定樣管管壁無(wú)異常時(shí)，信號(hào)下沿過(guò)渡平滑，波動(dòng)極小，是制造誤差產(chǎn)生的;當(dāng)?shù)竭_(dá)平底孔缺陷時(shí)，信號(hào)線明顯下沉，出現(xiàn)壁厚突發(fā)的減薄，且在水平方向上有一定的持續(xù)，平滑不尖銳。

圖8 階梯環(huán)和平底孔缺陷信號(hào)特征

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)CNG儲(chǔ)氣井檢測(cè)中存在缺乏統(tǒng)一缺陷標(biāo)定樣管、參考標(biāo)定和缺陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，結(jié)合儲(chǔ)氣井檢測(cè)實(shí)際，從檢測(cè)中常見(jiàn)的重點(diǎn)缺陷入手，確定能夠表征相關(guān)缺陷的標(biāo)定缺陷形式、尺寸和分布形式，研制出缺陷標(biāo)定樣管，樣管制成后可應(yīng)用于參考標(biāo)定信號(hào)的采集、儲(chǔ)氣井檢測(cè)設(shè)備校準(zhǔn)和檢測(cè)靈敏度研究、儲(chǔ)氣井檢測(cè)技術(shù)人員培訓(xùn)和儲(chǔ)氣井檢測(cè)新技術(shù)、新設(shè)備的開(kāi)發(fā)，將有助于我國(guó)儲(chǔ)氣井檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。