碳纤维复合材料修复储气井腐蚀缺陷的有效性分析.pdf

《碳纤维复合材料修复储气井腐蚀缺陷的有效性分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、466化工机械2013年碳纤维复合材料修复储气井腐蚀缺陷的有效性分析4张烟生料马源宋利滨(大连理工大学)摘要借鉴管道复合材料修复技术对储气井井筒进行修复设计，并采用有限元方法对修复前、后的井筒进行应力分析．确定了合理的修复层厚度，并讨论了修复后复合材料层对井筒缺陷部位应力分布的改善情况。结果表明：不能完全参照ASMEPCC一2标准对储气井井筒进行修复设计，需结合其自身特性来确定修复层厚度；使用复合材料修复技术能有效的改善应力分布情况。关键词储气井腐蚀缺陷修复复合材料有限元中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2013)04-0466-06储气井是一种井式地下储气装置

2、，具有占地面积小、经济性良好等优点，已大量应用于天然气汽车加气站及民用调峰站中¨。。当储气井未进行固井或固井质量较差时，储气井井筒直接与土壤接触。由于土壤的腐蚀性加上雨水和地下水的共同作用，井筒外部容易发生腐蚀B-。对于腐蚀严重的储气井需要进行降压或停用处理，这样会造成巨大的经济损失和资源浪费。为了使腐蚀较为严重的储气井能继续正常、安全使用，有必要对储气井井筒上的腐蚀缺陷进行修复以保证其在规定服役年限内安全运行。目前，对储气井的研究主要集中在储气井井筒腐蚀机理和储气井推广应用方面¨。1，对储气井井筒腐蚀失效后的解决方法报道非常欠缺，特别是储气井井筒修复技术现在还没有相关的报道和研究。国内外的

3、许多研究人员已对管道修复进行了大量的研究工作，其相关标准∞“1和研究方法峥’1副现已比较成熟。由于储气井与压力管道有类似的形状和周围环境，故可借鉴管道修复补强标准和研究成果来研究储气井井筒的修复方法。1储气井腐蚀情况简介在对储气井进行外部宏观检测和测厚时，发现储气井腐蚀最严重的部位一般都在靠近地面的井筒部分，且井筒上的腐蚀形式不仅有单点腐蚀，还有局部腐蚀以及大面积均匀腐蚀口1。腐蚀形式如图1所示。笔者借鉴管道复合材料修复技术对不同腐蚀形式的井筒进行修复，并利用有限元Ansys软件对修复前、后的井筒进行应力分析，通过分析结果来确定其合理的修复层厚度，并讨论修复后复合材料层对井筒缺陷部位应力的改

4、善情况。a．单点腐蚀b．』“j筛腐址n-p点腐蚀图l储气井腐蚀形式}质检公益性行业科研专项基金资助项目(201010222)。·}张烟生，男，1987年8月生，硕士研究生。辽宁省大连市116024。第40卷第4期化工机械4672腐蚀缺陷修复2．1缺陷修复方法现有缺陷修复方法主要有焊接、夹具和复合材料修复技术3种，但前两种方法的使用都受到局限¨4I。复合材料修复技术是一种新型的缺陷修复方法，相比焊接和夹具修复方法，具有不动火、不停输及修复时间短等优点，在缺陷修复中得到越来越多的应用。2．2缺陷修复原理复合材料修复技术主要是利用了碳纤维材料具有良好的抗拉强度和弹性模量¨4

5、。通过将碳纤维材料缠绕

6、在存在缺陷井筒表面，与强力胶和修补剂一起构成补强层来分担井筒承受的载荷，限制井筒缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力、应变，从而达到对井筒缺陷进行补强的目的，保证设备的安全运行。修复示意图如图2所示。碳纤用修补制图2复合材料修复示意图2．3缺陷修复设计在腐蚀缺陷修复设计过程中，主要是确定复合材料修复层的厚度。在对管道缺陷进行修复设计时，其修复层厚度主要依照ASMEPCC-2标准(以下简称PPC标准)中的设计公式进行计算哺】。其主要的计算公式为：‰，=—专(譬一)(1st)。叫2万‘芎一)(’式中D——管道外径；E．——复合材环向弹性模量；P——设计压力；s——管道的最小屈服强度；t。——

7、管道腐蚀后最小剩余壁厚；t⋯。．，——最小修复层厚度；占．——环向许用应变。目前，在役储气井选材多为API-N80钢级，其化学成分见表1¨“。表1储气井用N80钢级套管的学成分％钢号CSiMiPSCrMo28CrM060．290．690．030．640．1730M040．300．221．020．03一从表1可以看出，N80钢级所使用的两种低合金钢的含碳量均在0．25％以上，均高于一般压力容器用钢。一般来说，随着含碳量的增加，钢材的强度有所提高，但其韧、塑性和可焊性将会降低，因此，与一般压力容器用钢相比，储气井用钢脆性较大，并且不适合采用焊接的方式对其进行修复。基于安全考虑，在设计过程中应按第

8、一强度理论对修复后的储气井进行强度校核。然而，式(1)是在第四强度理论(即Von．Mises屈服准则)体系下得到的设计公式，故在对储气井进行修复设计时，不能盲目的按照PPC标准进行设计，但可将其计算结果作为修复层的最小值，在这个值的基础上，通过逐渐增加修复层厚度，并利用有限元方法对修复后井筒进行应力分析，进而来确定满足强度校核的修复层厚度。3缺陷修复有限元分析3．1基本材料参数分析中所用的有限元模型材料性能参