荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价实验 方法，研究交变载荷和腐蚀介质共同作用对注采管柱的影响，评价优选注采工况下注采管 柱注采管柱材质。
[0031 ] 以XX储气库为例，该方法包括：（1)基础参数收集；（2)轴向载荷谱提取；（3)实验 对比方案设计；(4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟；（5)实验及结果分析，具体如 下：
[0032] (1)基础参数收集
[0033] XX储气库运行阶段温度变化为55°C到156°C，压力变化为13. OMPa到50.0 MPa， 二氧化碳分压在〇. 46MPa至0. 98MPa之间，硫化氢含量最高29. 3mg/m3,分压最高为 0. 00047MPa，氯离子含量10000mg/L以上，腐蚀环境恶劣。注采管柱的材质为PllO钢级 S13Cr，长度4500m，壁厚6. 88mm，外径114. 29mm，环空保护液密度为I. 06g/cm3。运行周期 见表1。
[0034] 表1注采工况周期循环（一年）
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[0036] (2)轴向载荷谱提取
[0037] 建立注采管柱的有限元模型，按照运行工况给模型施加边界条件（此处的模型是 用有限元软件建立的注采管柱的实际物理模型，并根据有限元求解需要划分网格，便于求 解），得出注采管柱井口、井中部以及井底处的力（如表2所示），（_)代表压，（+)代表拉， 进而得到图1所示的轴向力，以此作为实验施加载荷谱的基础。
[0038] 表2注采管柱两个典型位置处的轴向力（N)
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[0041] (3)实验对比方案设计
[0042] 本次实验中常压腐蚀环境指0.1 MPa 0)2和0. 00047MPa H2S (模拟分压允许有一定 的误差，主要是验证交变载荷和腐蚀介质的作用），温度均为室温，采用模拟地层水（氯离 子含量为12072mg/L)设计4组实验对比方案：
[0043] 方案A :按照模拟注采周期的波动载荷加载（300MPa保持一周，松弛一周；400MPa 保持一周，松弛一周；500MPa保持一周）（施加的载荷是计算出的注采管柱的轴向力，然后 根据样品的截面积换算成载荷；此处的计算可以利用有限元软件通过前述的有限元模型， 可以得出注采管柱井口、井中部以及井底处的各个工况的轴向力，然后用轴向力除以注采 管柱管壁的横截面积，得出此时需要加载的载荷），腐蚀实验结束后，将样品在常压腐蚀环 境中以8X 10 5mm/s应变速率对腐蚀后的样品进行SSRT实验。
[0044] 方案B :不施加载荷，进行与方案A同周期的腐蚀实验，并进行SSRT实验。
[0045] 方案C :模拟注采周期中关井时相对较高的拉伸载荷加载（500MPa，持续五周），进 行与方案A同周期的腐蚀实验，进行SSRT实验。
[0046] 方案D :模拟注采周期中关井时相对较低的拉伸载荷加载（300MPa，持续五周），进 行与方案A同周期的腐蚀实验，进行SSRT实验。
[0047] (4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟
[0048] 将样品固定在实验装置的密闭容器中，给样品施加轴向向上载荷，利用密闭的空 间模拟腐蚀环境，以此使样品同时处于交变载荷作用和腐蚀环境下，轴向载荷按照方案设 计施加，腐蚀环境按照方案设计模拟。
[0049] (5)实验及结果分析
[0050] 对经不同载荷方式和腐蚀介质共同作用后的实验样品进行动态慢拉伸实验，应变 速率为8 X 10 5mm/s，记录应力-应变曲线（不同实验方案所得到的样品的SSRT拉伸曲线 如图2所示），并对利用扫描电镜对拉断后样品断口微观形貌进行分析，样品慢拉伸实验延 伸率结果见表3。
[0051] 表3样品慢拉伸实验延伸率 [00521
[0053] 常压腐蚀环交变载荷样品开始发生塑性变形应变为8. 66%，与之相对应是其余三 种载荷样品的延伸率均在20%左右，说明交变载荷降低了材料的塑性，增加了样品的脆性。
[0054] 材料经不同载荷方式与二氧化碳及硫化氢共同作用后SSRT断口微观形貌如图3 所示。无载荷试样慢拉伸试样的断口呈均匀的韧窝状，属于韧性断裂。而经恒定载荷与二 氧化碳及硫化氢共同作用后，材料的断口形貌为韧窝和解理共存，已显现脆性断裂的特征。 经波动载荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，材料的断口形貌出现较大解理面，几乎没有 发现韧窝，而且有较高的解理台阶，说明试样断裂时沿着一个主要的解理面解理断裂，断裂 腐蚀敏感性明显增加。
[0055] 综合分析样品的塑性变形应变和SSRT获得的断口形貌，可以看出：材料经恒定载 荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，应力腐蚀开裂敏感性无明显变化，而经波动载荷与二 氧化碳及硫化氢共同作用后，材料塑性损失明显增大，应力腐蚀敏感性明显增强。说明腐蚀 环境和交变载荷共同作用对注采管柱的强度影响较大，降低了注采管柱的强度。
[0056] 综上所述，实施例1的分析结果在储气库注采井注采管柱承受的交变载荷和腐蚀 环境共同作用工况下的材质评价与优选中发挥重要作用，该方法可有效解决交变载荷和腐 蚀环境共同作用下注采管柱材质优选设计的难题，为注采管柱设计提供可靠保证。
【主权项】
1. 一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法，该方法包括以下步 骤： 收集储气库注采井的基本参数，所述基本参数包括注采管柱参数和注采工况运行参 数； 根据注采管柱参数建立有限元实体模型，按照注采工况运行参数，以注采温度、注采压 力作为边界条件对注采管柱的有限元实体模型进行加载，模拟注采管柱的受力情况，得出 注采管柱承受的轴向载荷，得到轴向载荷谱； 设计不同的实验方案，即在不同温度、不同压力、不同腐蚀介质含量条件下进行对比实 验的方案； 按照所述实验方案模拟恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷、交变载荷和腐蚀介质共同作 用的环境，对注采管柱施加轴向载荷进行模拟实验，所述轴向载荷为所述轴向载荷谱中的 轴向载荷； 对经过模拟实验的注采管柱进行动态慢拉伸试验，同时记录应力-应变曲线直至注采 管柱被拉断，对拉断后的注采管柱的断口微观形貌进行分析； 根据应力-应变曲线以及断口微观形貌分析结果得出交变载荷和腐蚀介质的共同作 用对于注采管柱的影响。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采管柱参数包括注采管柱的长度、壁厚、 钢级、外径和材质。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采工况运行参数包括注采运行周期、注采 温度、注采压力、二氧化碳的含量、硫化氢的含量、氯离子的含量、环空保护液密度。4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述注采温度包括井口的注采温度和井底的注 采温度，所述注采压力包括井口的注采压力和井底的注采压力。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采管柱承受的轴向载荷包括注气末关井、 采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向力。6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述注采管柱承受的轴向载荷包括井口的注气 末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的 轴向载荷和井底的注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注 气高峰和注气末期时的轴向载荷。7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述对比实验的实验条件至少包括最苛刻的工 况。8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述最苛刻的工况是指分压最高、涵盖最恶劣的 温度范围的工况。9. 根据权利要求1所述的方法，其中，在所述实验方案中，在相同的温度、压力、腐蚀介 质含量条件下的实验包括交变载荷、恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷四种形式。10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述动态慢拉伸试验中至少测定延伸率、断裂 强度、断裂时间。
【专利摘要】本发明提供了一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法。该方法包括：收集储气库注采井的基本参数；建立有限元实体模型，按照注采工况运行参数，以注采温度、注采压力作为边界条件对有限元实体模型进行加载，得出注采管柱承受的轴向载荷，得到轴向载荷谱；设计不同的实验方案；模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用的环境，对注采管柱施加轴向载荷进行模拟实验；对经过模拟实验的注采管柱进行动态慢拉伸试验，同时记录应力-应变曲线直至注采管柱被拉断，对拉断后的注采管柱的断口微观形貌进行分析；根据应力-应变曲线以及断口微观形貌分析结果得出交变载荷和腐蚀介质的共同作用对于注采管柱的影响。采用该方法能够模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境，评价注采管柱强度性能。
【IPC分类】G01N17/00
【公开号】CN105092457
【申请号】CN201510402030
【发明人】王云, 李隽 , 路民旭, 李文魁, 张雷, 李楠, 李大朋, 刘岩
【申请人】中国石油天然气股份有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月9日