热采井口装置蠕变失效分析及实验研究
随着中国对石油资源开发利用的力度不断加大，容易开采的轻质原油储量逐渐减少，加大稠油开采量成为主要趋势。目前中国开采稠油的主要方式为蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方式，主要的开采原理是将高温高压水蒸气注入稠油油层，使油层温度上升、黏度下降，然后开采。热采井口装置是稠油开采过程中所用的主要设备，由于其在高温高压下工作，现场工作过程中极易出现强度失效、腐蚀失效、疲劳失效及蠕变失效等。目前国内外对于热采井口装置的失效分析，主要集中在疲劳、腐蚀、强度失效等方面，对于其蠕变失效的研究鲜见报道。由于缺少热采井口装置蠕变失效研究的理论基础，在油田现场，现场工作人员只能根据使用经验制定了服役寿命评估标准，但这些标准规定的服役寿命相对保守，造成了材料的严重浪费。蠕变失效是高温高压下工作设备的主要的失效方式之一，因此对于热采井口装置的蠕变失效是必须要考虑的。基于此，本文通过试验和有限元模拟相结合的方法对热采井口装置进行了蠕变失效分析，最终获得现场工况下各主要承压件的蠕变失效时间，为热采井口装置的现场使用提供了科学的理论指导。论文主要完成以下工作: (1)对热采井口装置进行了强度分析，得到现场工况下热采井口装置的最大应力为175MPa，说明装置满足强度要求，热应力的影响较小，单侧注气导致整体向非注气侧倾斜，最大变形为11mm。 (2)进行了热采井口装置材料30CrMo的蠕变性能研究，通过常温和高温下的拉伸试验得到，在390℃下，30CrMo的屈服强度和抗拉强度分别下降18.6％和10％;延伸率增加6％，断面收缩率增加11％;弹性模量减小14.4％。通过蠕变试验得到了材料30CrMo的Norton Bailey蠕变模型参数和复合时间强化模型参数，经过实验验证，误差为14.1％。 (3)对材料30CrMo的蠕变微观机理进行研究，得到在蠕变过程中，30CrMo基体中析出碳化物的颗粒增大、数目增多，导致其强度下降;高应力区的蠕变机理为位错Orowan绕越机制，低应力区为位错热攀移机制。 (4)进行了现场工况下热采井口装置的蠕变失效分析，恒温恒载工况下，主通径阀门使用153天后失效，侧翼注气阀门使用316天后失效。断续加载工况下，主通径阀门使用14个周期后失效，侧翼注气阀门使用19个周期后失效。 (5)进行了典型缺陷对热采井口装置的蠕变失效规律影响研究，分别研究了密封槽及内壁出现典型缺陷时对热采井口装置的蠕变失效规律的影响。在蠕变过程中缺陷的尺寸会逐渐增大，当大于临界值时热采井口装置失效;临界值得大小为:密封槽处腐蚀凹坑直径为2.5mm深度为1mm，密封槽处发现裂纹即失效;内壁腐蚀凹坑无影响，内壁裂纹长度为6mm，深度为1mm。 (6)对热采井口装置螺栓进行了应力松弛失效分析，通过常温和390℃下的拉伸试验得到，390℃下螺栓材料42CrMo的屈服强度和抗拉强度分别下降20.3％和14.6％;延伸率增加9.5％，断面收缩率增加8％;弹性模量减小15.7％;通过短时蠕变试验及应力松弛试验得到，在现场工况下由于蠕变作用1200h后螺栓预紧应力下降了52％;最后得出螺栓在使用26天后就会由于应力松弛而失效。
热采井口装置;承压件;蠕变失效;应力松弛
北京化工大学
硕士
机械工程
颜廷俊;李风
2020
中文
TE931.107
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）