壓縮天然氣地下儲氣井缺陷標定樣管的研制

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(安徽省特種設備檢測院, 合肥 230051)

CNG(壓縮天然氣)地下儲氣井作為一種埋地高壓容器，在我國已使用了近30 a。因其相比儲氣瓶、儲氣罐等具有安全性強、儲氣量大、使用效率高、節省空間、使用成本低等特點[1]，地下儲氣井已成為我國CNG加氣站的主要儲氣設備，使用率約80%，各高校和科研機構也相繼開展了相關研究，有關儲氣井檢驗檢測的理論、標準、規范正逐步完善，但“超規范、超標準”仍普遍存在[2]，特別在儲氣井的定期檢測方面，缺乏統一的缺陷標定樣管、參考標定信號和評價標準，嚴重阻礙了我國儲氣井檢測技術的發展，因此有必要研制儲氣井缺陷的標定樣管。

1 缺陷標定樣管的研制

1.1 樣管材料與規格

由于儲氣井的設計和制造思路來源于石油井的設計和制造，因此我國儲氣井套管材料最原始參照的標準是美國石油學會標準API Spec 5CT《套管和油管規范》。標準對儲氣井套管材料等級、性能參數、加工方法和套管規格做了詳細規定，先后在SY/T 6535-2002《高壓氣地下儲氣井》、《關于加強地下儲氣井安全監察工作的通知》(質檢辦特〔2008〕637號)、《質檢總局關于地下儲氣井安全監察有關事項的公告》(2014年第42號)、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》中對儲氣井套管材料規格做了規定，綜合上述要求，結合實際檢測經驗，考慮樣管制作的加工難度和參考價值，確定了樣管的材料與規格(外徑×壁厚×長度)，如表1所示。

表1 樣管的材料與規格

1.2 儲氣井檢測重點缺陷與標準缺陷形式

根據儲氣井使用的環境特點、負載循環工況、內外表面接觸介質特性以及儲氣井的制造工藝，從損傷模式識別角度進行分析，儲氣井套管損傷模式可分為10種[3]，失效模式可分為4種[2]。根據儲氣井定期檢測過程中采集到的信號和數據，首先直接分析得到的是套管缺陷的信號特征；之后可結合其他影響因素綜合分析確定其損傷模式，評價儲氣井的安全狀況，并進一步制定防護管理方案，其流程如圖1所示。從信號采集分析、缺陷識別和標準缺陷制作角度考慮，分析出儲氣井檢測中的重點缺陷對標準缺陷的制作更加有利，因此著重從儲氣井檢測中的重點缺陷出發，分析其特點,進而確定樣管標準缺陷的形式，標準缺陷的制作流程如圖2所示。

圖1 儲氣井檢測流程

圖2 標準缺陷制作流程

1.2.1 裂紋與開裂

儲氣井套管在交變工作載荷、外部復雜地下土壤環境和內部復雜介質環境共同作用下，容易產生材料力學性能和抗疲勞性能降低，發生疲勞裂紋、腐蝕疲勞裂紋、應力腐蝕開裂、脆性斷裂以及腐蝕減薄引起開裂的可能性增大。我國從開始使用儲氣井至今，以儲氣井套管裂紋與開裂造成的事故最為惡劣，如四川宜賓天池加油加氣站儲氣井竄井事故的原因就是儲氣井套管的應力腐蝕開裂。

裂紋與開裂缺陷的檢測難度較大，加上儲氣井套管埋于地下，管壁內外環境復雜，以及我國對在用儲氣井套管裂紋和開裂的研究仍然不夠深入，缺乏裂紋與開裂缺陷的參考標定和評價標準。

參考NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》、API Spec 5CT，擬在樣管上設置系列人工反射體作為預置缺陷，以其試驗信號的數據特征作為裂紋與開裂缺陷的判別評定依據，具體做法為：在標訂樣管內外表面的軸向和周向設置不同尺寸、高精度的縱向矩形槽，作為縱向裂紋和開裂缺陷的標定缺陷；在周向上設置不同尺寸、高精度的橫向矩形槽和環形槽，作為套管橫向裂紋與開裂缺陷的標定缺陷。標定缺陷具體尺寸和分布如表2～5所示，以這些標定缺陷在試驗條件下產生的數據信號為基礎，總結分析裂紋與開裂的信號特征，得到裂紋和開裂缺陷的定性和量化評價依據，縱向與橫向標定缺陷形式如圖3所示。

圖3 縱、橫向標定缺陷形式示意

1.2.2 壁厚減薄

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

壁厚減薄的檢測數據信號特征明顯，相比較其他缺陷更容易判定，所以相關檢測技術發展最為完善，從壁厚減薄的形式上區分，可大體分為點孔減薄、局部減薄和均勻減薄。

目前，我國的檢測技術已能較為準確地檢測均勻減薄和局部減薄程度，但缺乏統一的標定樣管，對最具危險性的針孔腐蝕尚未做系統研究。針對以上問題，提出的解決方法是在標定樣管上設置系列階梯環和平底孔，階梯環產生的數據信號可用于套管局部減薄和均勻減薄的標定信號采集和基準靈敏度確定，平底孔用于點孔減薄標定信號采集和檢測靈敏度研究。階梯環和平底孔標定缺陷形式如圖4所示。

圖4 階梯環和平底孔標定缺陷形式示意

2 標定缺陷分布

2.1 裂紋與開裂標定缺陷分布

2.1.1 縱向矩形槽分布

選用兩根材料為N80，規格為φ244.48 mm×11.99 mm×1 400 mm的標定樣管，記為1#和 2#樣管，在平行于管軸方向設置縱向矩形槽，要求矩形槽的兩個側面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm處開設第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm開設一組矩形槽，每組5個矩形槽沿周向均布，1#樣管開設10組，2#樣管開設12組，兩根標定樣管上矩形槽具體尺寸(長×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，規格為φ177.8 mm×10.36 mm×1 400 mm的標定樣管，記為3#和4#樣管，在垂直于管軸方向設置橫向矩形槽，要求矩形槽的兩個側面相互平行，在沿管軸方向，距上端面250 mm設置第一組槽，其后在軸向上每距離100 mm處設置一組矩形槽，每組5個矩形槽沿周向均布，3#樣管開設10組，4#樣管開設12組，前6組為矩形槽，后6組為環形槽，兩根標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 階梯環和平底孔標定缺陷

選用1根材料為P110，規格為φ244.48 mm×11.05 mm×1 400 mm的標定樣管作為5#樣管，設置階梯環和系列平底孔，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#樣管矩形槽和環形槽尺寸和分布位置 mm

圖5 5#樣管階梯環和平底孔分布示意

圖6 試制樣管外觀

圖7 試制的標定缺陷外觀

3 標定樣管的試制與初步驗證

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

裂紋與開裂缺陷的檢測難度較大，需要后期深入研究，故選擇階梯環和平底孔標定缺陷樣管進行初步驗證試驗。

儲氣井綜合試驗平臺可模擬實際儲氣井套管的工況和檢驗環境。利用此平臺對5#樣管進行檢測試驗，分別得到階梯環缺陷和平底孔缺陷處的信號特征(見圖8)。

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

從圖8(b)可知:當標定樣管管壁無異常時，信號下沿過渡平滑，波動極小，是制造誤差產生的;當到達平底孔缺陷時，信號線明顯下沉，出現壁厚突發的減薄，且在水平方向上有一定的持續，平滑不尖銳。

圖8 階梯環和平底孔缺陷信號特征

4 結語

針對我國CNG儲氣井檢測中存在缺乏統一缺陷標定樣管、參考標定和缺陷評價標準的問題，結合儲氣井檢測實際，從檢測中常見的重點缺陷入手，確定能夠表征相關缺陷的標定缺陷形式、尺寸和分布形式，研制出缺陷標定樣管，樣管制成后可應用于參考標定信號的采集、儲氣井檢測設備校準和檢測靈敏度研究、儲氣井檢測技術人員培訓和儲氣井檢測新技術、新設備的開發，將有助于我國儲氣井檢測技術的發展。