張義磊* 馬燕銘 朱 波

（1. 泰安市特種設備檢驗研究院 2. 山東省特種設備檢驗研究院有限公司）

0 引言

據統計，2013年年底時全國各地制造的儲氣井數量已經超過8 000臺。高壓氣地下儲氣井是用于儲存壓縮天然氣的裝置，也是一種新型的第三類壓力容器，該裝置可以有效解決加氣站、城市燃氣的調峰和工業儲氣等問題，具有占地面積小、建設成本低、安全性好、失效范圍小、使用壽命長、管理方便、運行維護費用低等優點[1]。

高壓氣地下儲氣井主要深埋在地下50～500 m ，容積為1～40 m3[2]，與容易受到自然環境和社會環境影響的地面儲氣瓶組相比，有著較好的安全性。儲氣井一般為單腔、立式結構，本文以甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司設計的容器圖號為LPECQJ9-10/25-00的儲氣井為例，該設備整體結構如圖1所示。

1 腐蝕原因分析

隨著使用時間延長，地下儲氣井使用中受到地層和存儲氣質等影響，不可避免會出現腐蝕、裂紋等缺陷，從而導致天然氣泄漏，甚至引發安全事故[3]。一般來說，壓縮天然氣地下儲氣井的腐蝕現象都是由腐蝕性介質引起的，包括H2S、溶解氧、CO2、SRB等[4-5]。

1.1 H2S腐蝕

儲氣井井筒所用的鋼質材料一般要符合API Spec 5CT標準，由于儲氣井承裝介質中存在H2S，容易產生內腐蝕。H2S與水形成濕硫化氫，造成腐蝕環境。多數人認為H2S在水中發生解離，形和成H+和S2-：

H2S→H++HS

HS-→H++S2-

鋼在H2S水溶液中發生電化學反應，陽極反應為：

Fe→Fe2++2e-

Fe2++S2-→FeS

陰極反應為：

2H++2e-→H2

陰極反應產生的氫原子擴散進入鋼組織內部，在結構不連續處（如夾雜物、裂隙）和晶界處聚集并結合生成氫分子，隨著氫分子數量不斷增加，超過臨界值就會引發材料局部變形，導致鼓泡，相鄰鼓包連接形成裂紋，最終在內應力作用下沿厚度方向產生氫致開裂。

1.2 有機殘留物

有機殘留物會引起儲氣井外部腐蝕。有機殘留物的主要成分通常為硫酸鹽還原菌，其為一種厭氧型微生物，對鋼質材料有腐蝕性，廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油氣井等缺氧環境[6]。硫酸鹽還原菌中存在大量的氫化酶，在無氧或缺氧情況下，可以利用金屬外表面的有機物作為碳源，還與細菌生物膜內自身產生的氫發生氧化還原反應，將硫酸鹽還原成遇硫化氫。這種代謝過程也可以利用腐蝕原電池產生的氫，使腐蝕原電池的陰極去極化，導致腐蝕過程加速[7]。

1.3 碳氫化合物

碳氫化合物對地下儲氣井有一定的腐蝕作用。腐蝕的主要機理是，碳氫化合物主要是CO2遇到地層中的水反應生成碳酸，碳酸進一步電離產生H+：

進而產生氫去極化腐蝕，陽極反應為：

Fe→Fe2++2e-

陰極反應為：

2H++2e-→H2

經過腐蝕反應之后，儲氣井表面形成碳酸鹽，又會形成自催化作用極強的腐蝕電偶，從而加快儲氣井的腐蝕速率。

1.4 氧腐蝕

儲氣井固井段外表面被水泥環緊緊包裹，但是，空氣中的分子態氧溶解于水中，對儲氣井筒體產生了很強的氧化去極化腐蝕作用，使自身被還原成OH-，而金屬被氧化成金屬陽離子。其腐蝕反應過程的陽極反應為：

Fe→Fe2++2e-

陰極反應為：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

OH-離子和Fe2+離子生成后，會各自向陽極與陰極擴散，結合生成鐵的氫氧化物，從而形成氧化腐蝕電池，從而加劇腐蝕，如圖2所示。一般來講，腐蝕速率與溶解氧的濃度相關。

圖2 氧腐蝕原理圖

1.5 大氣腐蝕

暴露在大氣環境中的儲氣井體主要產生大氣腐蝕，在化工場所、臨海區域和鹽堿地帶尤為突出，這是由于大氣中的氧、鹽粒子、二氧化碳、硫化物、氯化物等含量豐富，這些成分會形成導電性很強的電解質溶液。鋼制材料在電解質溶液中形成原電池，在腐蝕介質的作用下，會加速電位較低的碳鋼的腐蝕，如圖3所示。

圖3 儲氣井原電池腐蝕原理圖

2 對力學性能的影響

儲氣井腐蝕一般先出現腐蝕點，再逐步擴散發展成腐蝕坑。腐蝕程度不一樣，其形態也不盡相同。當腐蝕較輕時，其表面會出現大量的斑跡，對于斑跡不深的腐蝕，可認為是均勻腐蝕。當腐蝕程度進一步加劇時，銹斑就會逐漸加重并最終出現銹坑，且銹坑的大小以及深淺出現差異。

材料的屈服載荷和極限載荷決定了材料的力學性能，通常與最小剩余截面積有關，而最小剩余截面積取決于腐蝕的寬度和深度。在腐蝕作用下，坑點周圍容易出現應力集中現象。隨著腐蝕程度的不斷加劇，受腐蝕部位的應力會明顯增大，因此腐蝕部位更容易受到損傷。

3 儲氣井的強度校核

3.1 強度校核的一般原則

當出現腐蝕深度超過腐蝕裕量、名義厚度不明、結構不合理、或者檢驗人員對強度有懷疑等情況時，應進行強度校核。強度校核的有關原則為：

（1）原設計中已經明確所用強度設計標準的，可按照該設計中的標準進行強度校核；

（2）剩余壁厚按照實測壁厚的最小值減掉至下次檢驗周期的腐蝕量，剩余值作為強度校核的壁厚；

（3）校核用壓力應為儲氣井允許使用壓力；

（4） 強度校核時的井筒壁溫取設計溫度或者操作溫度。

3.2 儲氣井基本材料屬性

高壓地下儲氣井井筒的常用材料主要包括N80，N80Q以及P110材質，其參數如表1所示。

表1 常用材料參數

3.3 壁厚校核選用標準

儲氣井壁厚校核包括靜強度和疲勞強度校核兩部分，所涉及的標準及用途如表2所示。

表2 常用材料參數

3.4 常規壁厚強度校核思路

3.4.1 強度校核的基本流程

強度校核基本流程如圖4所示。

圖4 傳統強度校核流程圖

3.4.2 靜強度校核的基本步驟

（1）確定許用應力

通過GB/T 19830—2011《石油天然氣工業油氣井套管或油管用鋼管》，查找材料的屈服強度σs和抗拉強度σb，參照JB 4732—1995（2005年確認），確定該材料類型儲氣井的許用應力σm：

（2）計算腐蝕速率

式中：υ——腐蝕速率，mm/a；

τ0——上次檢測最小壁厚值，若為首次檢驗，則為公稱壁厚值，mm；

τ1——實測的最小壁厚值，mm；

T1——距離上次檢驗的時間間隔，a。

（3）預計剩余壁厚

式中：τ2——計算剩余壁厚值，mm；

T——預計的下次檢驗周期，a。

（4）計算靜應力值

式中：σ——應力值，MPa;

p——最高工作壓力，MPa;

Di——儲氣井內徑，mm。

（5）判斷

若σ＜σm，則剩余壁厚強度滿足使用要求。

3.4.3 筒體疲勞強度校核

壓力循環范圍一般為10 MPa～最大靜應力。

在高、低壓工況內壓下，計算筒體應力：

式中：pL——低壓工況內壓，MPa；

pH——高壓工況內壓，MPa；

σL——低壓工況筒體應力，MPa；

σH——高壓工況筒體應力，MPa。

循環應力強度幅值為：

參照SY/T 6535—2002選取疲勞循環次數（使用時間）進行校驗，查JB 4732—1995（2005年確認）標準附錄C中對應的S-N曲線（從保守角度出發，取標準中的圖C-4及表C-l）。查詢對應的疲勞強度Sa＜［Sa］，若計算循環應力強度 ，即筒體剩余壁厚的疲勞強度滿足使用要求，反之亦然。

3.4.4 計算方法的缺點

壁厚的強度校核需要檢驗人員定義檢驗周期T和最高工作壓力p兩個參數，需要檢驗人員不斷調整數據并進行迭代計算，難以實現一次性無誤計算，降低了現場檢驗效率。同時，對于建站多年并未運行的儲氣井的壁厚強度校核存在較大的誤差，需要人為設定修正系數，降低了數據的真實性和可靠性。

3.5 新型壁厚強度校核思路

新型壁厚強度校核方法使用閉環設計思路，僅需要檢驗人員定義檢驗周期T或最高工作壓力p其中一個參數，在滿足相關標準和計算公式的條件下，給出了該狀態下的最大輸出值。當檢驗員對結果存有懷疑時，可以根據儲氣井的使用情況和健康狀態對計算值進行修正，最終輸出相關的參數信息并現場出具報表。該方法既可以提高計算效率，同時又降低了計算誤差。具體流程如圖5所示。

圖5 新型強度校核方法流程圖

3.5.1 定義最大工作壓力，輸出最長運行時間

（1）滿足條件靜應力校核條件

定義最大工作壓力p，計算靜應力為極限值σm，此時最大剩余壁厚值可通過下式計算：

剩余壁厚τ2為：

剩余壁厚τ2也等于：

由此下次檢驗周期T為：

（2）滿足循環應力校核條件

定義最大工作壓力p，計算循環應力強度為極限值Sa，此時最大剩余壁厚可通過下式計算：

剩余壁厚τ2：

剩余壁厚τ2也等于：

由此下次檢驗周期T為：

下次檢驗周期T應選取該2種校核條件下的最小值。

3.5.2 輸入最長運行時間，輸出最大工作壓力

（1）滿足條件靜應力校核條件

當確定最長運行時間T確定，則最大壓力應滿足靜應力公式：

此時最大壓力p為：

（2）滿足循環應力校核條件

當最長運行時間T確定，則最大壓力應滿足循環應力公式：

故應力幅值也可以表示為：

整理公式，最大壓力值P為：

最大壓力p應選取該兩種校核條件下的最小值。

3.5.3 人為修正數據

此時運算與傳統方式基本一致，但是定義檢驗周期 和最高工作壓力 值要小于輸入值。

4 結語

本文對儲氣井的常見形式進行了分析，并研究了由于材料腐蝕造成力學性能下降的原因。同時根據現階段常規的強度校核方式，提出了“閉環”的強度校核思路，簡化了強度計算流程，提高了計算效率，為儲氣井強度校核信息化軟件的開發提供了基礎的算法支撐。