储气井疲劳试验和爆破试验研究

段志祥石 坤李邦宪陈祖志刘东学马 源(.中国特种设备检测研究院 北京 0009)(.大连理工大学 大连 604)

储气井疲劳试验和爆破试验研究

段志祥1石 坤1李邦宪1陈祖志1刘东学2马 源2
(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)
(2.大连理工大学 大连 116024)

参照气瓶的试验方法，对储气井进行了模拟试件的疲劳试验和爆破试验研究，得出结论：1)螺纹质量和螺纹连接部位的扭矩对储气井密封性能及抗疲劳性能具有较大的影响，设计中应对此提出相应要求；2)储气井结构在极限压力下均在螺纹部位首先失效，失效有螺纹拉脱和螺纹处泄漏两种形式；3)井管与接箍、井管与井口装置、接箍与井底装置的螺纹连接部位是储气井结构的薄弱环节，在结构设计及在役检验时应重点关注。

储气井 疲劳试验 爆破试验 失效模式 泄漏 拉脱

1 前言

储气井是一种新型特殊的储存容器，目前在汽车加气站及民用调峰站中大量应用，主要用于储存压缩天然气[1]。储气井埋深一般50～260m，井管根数为5～25根，各井管通过接箍依次串联起来。储气井井管与接箍之间、井管与井口装置之间以及井管与井底装置之间都采用符合API SPEC 5B[2]要求的圆螺纹连接。

由于螺纹连接存在应力集中倾向[4，6-10]，在承受交变载荷的承压设备中是否适用，没有相关的试验研究证实。本文对典型结构型式的储气井进行疲劳试验和爆破（极限承压）试验，一方面研究相应结构的合理性，另一方面探索储气井的薄弱环节及失效模式。

2 试验条件

2.1 试验设备

试验工作在大连理工大学化工机械学院完成。疲劳试验设备符合GB/T 9252-2001《气瓶疲劳试验方法》[3]要求，试验设备的压力循环上限50MPa，工作温度低温-90℃，高温80℃。爆破试验装置的极限压力500MPa。

表1 试件参数表

2.2 试件结构

为模拟实际储气井结构（偏保守考虑忽略地层的加强作用），试件由井口装置、井管（2根，每根约为1.5m）、接箍和井底装置组成，总长约4m。储气井模拟试件的结构如图1～图4所示，试件参数见表1。其中D-1和D-2为2008年及之前的主流结构，因井口难以实现重复拆卸，不利于开启检测，当前使用较少。其余为当前常用结构。

图1 试件A-1、A-2结构示意图

图2 试件B-1、B-2结构示意图

图3 试件C-1、C-2结构示意图

图4 试件D-1、D-2结构示意图

笔者对试件A-1～B-2的井管材料力学性能进行了实测，结果见表2。

表2 试件A-1～B-2的井管材料力学性能检验结果

3 疲劳试验

3.1 试验过程

储气井试件疲劳试验参照GB 9252-2001气瓶疲劳试验方法进行，试验参数见表3。试验介质为机油，精度等级为0.4，试验过程中控制介质温度＜45℃，控制井管壁温度＜36℃。试件A-1和A-2在环境温度28℃左右完成试验，试件B-1和B-2在环境温度18℃左右完成试验。试件C-1在环境温度16～24℃下完成试验，试件C-2、D-1和D-2在环境温度5～20℃下完成试验。

表3 疲劳试验参数

3.2 试验结果

试件A-1～B-2、C-2～D-2经过了30000次压力循环。试验过程中螺纹连接处均未发生渗漏，也没有异常的响声。试验后，对试样全表面进行宏观检查，未发现变形和裂纹。因此，可以判定这7组试件的储气井均通过了循环次数为30000次（设计循环次数为25000）的疲劳试验。

对于试件C-1，2012年8月20日开始压力循环试验，8月21日3时，储气井底装置与接箍连接螺纹处开始泄漏。后更换与井底装置相连接箍，于9月6日继续进行压力循环试验，9月14日总计完成50012次压力循环，未发生疲劳失效。

4 爆破试验

4.1 试验过程

爆破试验在疲劳试验之后进行。将试件内充满水后置于爆破仓内，再与加压系统管线连接。加压前将试件内和管线中的气体排净。试验时的环境温度和介质温度见表4。试验过程中，连续缓慢加压直至试件失效（预期破坏形式为爆破或泄漏）为止，对试验过程中的压力值进行适时监测。

表4 试验温度

4.2 试验结果

对试验过程中观测压力值随时间的变化作图，试件A-1的压力-时间曲线如图5所示。爆破试验结果见表5。图6为试件B-2爆破试验后的现场图片，图7为试件C-1爆破试验后的现场图片。

图5 试件A-1压力试验过程中压力-时间曲线

5 分析讨论

试件D-1由于底封头与接箍螺纹连接扭矩施加不到位，导致在67MPa下即开始泄漏。除D-1外，其它试件极限承载压力均达到或超过了3倍工作压力即75MPa，说明本文试验的储气井结构的承载能力良好，出现短时间小范围超压不会对储气井造成影响。

表5 爆破试验结果

图6 试件B-2泄漏失效部位

图7 试件C-1爆破试验后现场图片

试件A-1～B-2、C-2～D-2共7种型式均通过了循环次数为30000次的内压疲劳试验，均满足设计要求，且具有一定的裕度。试件C-1在压力循环过程中出现了螺纹处泄漏现象，但经过更换接箍后，结构承受了50012次压力循环。分析得出接箍螺纹加工质量对结构密封性和抗疲劳性能有较大的影响，各螺纹连接部位的安装、拧紧也比较重要。螺纹质量不佳或安装不符合要求，储气井在正常使用过程中容易发生泄漏或螺纹联接处脱落等严重问题。

试件A-1～B-2、C-2～D-2在极限承压试验过程中，均在管体发生失效之前，螺纹连接部位先发生变形并引起泄露，表明螺纹连接部位的应力较高[4，6-10]，承载能力低于管体。

试件C-1在极限承压试验过程中，井口接箍与套管处螺纹拉脱失效。拉脱原因之一，是该结构由于井口接箍壁厚较大，导致对套管产生较大的约束，在内压较大时螺纹承受的应力增大，使结构在该处容易发生拉脱失效。但由于极限压力已经达到87MPa，远大于正常工作压力25MPa，且疲劳试验通过3万次循环，该井口结构符合使用要求。并且该种结构用材少，安装简单，经济性强，具有较大的优势。

试件A-1～B-2、C-2～D-2储气井在极限压力试验中表现出“漏而不破”特性。若仅从疲劳性能和结构强度方面评价，2008年以前的结构D-1和D-2也满足使用要求。

6 结论

对目前加气站使用的主要储气井结构以及2008年前的常见结构进行了疲劳试验和爆破试验，对储气井的结构合理性进行了探讨，并对储气井的薄弱环节和失效形式进行了分析，得出如下结论：

1）螺纹质量和螺纹连接部位的扭矩（拧紧力）对储气井密封性能及抗疲劳性能具有较大的影响，设计中应对此提出相应要求。

2）储气井结构在极限压力下螺纹部位首先失效，失效形式有螺纹拉脱和螺纹塑性变形两种，且导致泄漏。

3）井管与接箍、井管与井口装置、接箍与井底装置的螺纹连接部位是储气井结构的薄弱环节，在结构设计及在役检验时应重点关注。

4）由于螺纹是储气井结构的薄弱部位，在储气井设计时应对螺纹连接进行分析计算。

1 李邦宪，陈祖志，石坤，等. 储气井监督检验[M].北京：化学工业出版社，2011.

2 API SPEC 5B, Specification for Threading, Gauging and Thread Inspection of Casing, Tube, and Line Pipe Threads[S]. 3 GB9252-2001气瓶疲劳试验方法[S].

4 刘培启，石坤，段志祥，等. 上扣扭矩对储气井疲劳寿命的影响[J]. 压力容器，2013，30（4）：14～17,28.

5 API SPEC 5CT，Petroleum and natural gas industries —Steel pipes for use as casing or tubing for wells[S].

6 陈祖志,石坤,李邦宪.储气井设计问题的探讨[J].压力容器，2012，29（2):49～55,60.

7 王杰，周永丽，焦锋，等．油井钢管圆螺纹接头机紧状态下的力学分析［J].石油矿场机械，2010，39(12)：7～10.

8 雷宏刚,裴艳,刘丽君.高强度螺栓疲劳缺口系数的有限元分析[J].工程力学，2008，25( 增刊) : 49～53.

9 王俐，张汝忻，邹家祥，等.API 圆螺纹套管接头应力场分布实验［J].北京科技大学学报，2000，22( 6) :555～558.

10 赵启成,王振清,杜永军,等．油管螺纹应力应变场的有限元分析与检测［J].计量学报，2005，26( 3) :253～258.

11 段志祥. 在用储气井腐蚀减薄安全评价方法[J].中国特种设备安全,2012,28(6):10～12

Cycling and Explosion Tests on Gas Storage Wells

Duan Zhixiang1Shi Kun1Li Bangxian1Chen Zuzhi1Liu Dongxue2Ma Yuan2
(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2.Dalian University of Technology Dalian 116024 )

Using the type test method of cylinder, the cycling tests and the explosion tests are carried out on the simplifi ed gas storage wells. It can be concluded from the tests that: 1) the quality of the threads and the connecting torque of the threads are the key factor infl uencing the sealing performance and fatigue property of gas storage wells, the technical requirement of which should be described in the design documents. 2) Under the limited pressure, the threads failure fi rst. The failure mode is pulling-out or leakage. 3) The positions such as connection of well pipe to coupling, connection of well pipe to well head equipment, connection of coupling to well bottom equipment, are the weak parts of the gas storage well. More attention should be paid on these parts in time of designing and in service inspection.

Gas storage well Cycling test Explosion test Failure mode Leakage Pulling-out

X933.4；TE256

B

1673－257X(2014)10－15－04

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.004

段志祥(1980～)，高级工程师，博士，主要从事承压特种设备安全检测与评价技术方向的研究工作。

2014-03-19）