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稠油热采注气管行使后的机能转变

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稠油热采注气管行使后的机能转变

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稠油热采注气管行使后的机能转变

  YS.TEST. 试验与研究稠油热采注气管使用后的性能变化 (西北大学物理学系 西安710069) 对新疆稠油热采注气管取样管道在常温下的材料性能进行了分析测试,获得了服役 后的稠油热采管道不同部位的抗拉强度、屈服强度 、伸长率 、断面收缩率和硬度等力学性能 通过显微组织观察和力学性能测试,讨论了管道组织变化和性能退化之间的关系 ,得到了注气管道 不同管段处性能退化情况 。进而分析了造成管道性能退化的影响因素 ,对管道性能退化造成的安 全隐患提出了相应的防护措施。 关键词 ;力学性能;珠光体 G142.31 文献标志码 100124012(2009) 0520269204 Properties Change ExploitationPipe Used HeavyOil Thermodynamics KONG Xiang2hui ZHENGMao2sheng LIUBin ZHAIWen Jiang2bo(Depart ment Northwest Univer sit Xi’an710069 China)Abstract mechanicalpropert ies ensile st rengt ,yieldingst rengt elongation rat percentage reduct ion hardness were ested under normal condition steel which commonlyused Xinjiangheavy oil field heat st eam inject ion pipel ine aft er almostfive years hemechanical propert ies differentpart hepipeline were gained. relations bet ween pipe’s microst ruct ure change properties degradat ion were discussed hroughmet allogr aphy observat ion mechanicalpropert ies exper iment mechanicalpropert esdegradat ion sit uat ions differentpart hepipeline were obt ained. hemechanical propert ies degradat ion were analyzed. protect ive measures against pot ent ial safet problems caused performancedegradat ion hepipeline were al so proposed. Key words steel mechanicalperformance pearlit 稠油热采注气管道长期受到高温高压水蒸气的作用 (温度达到 300 ,压力超过 10 MPa) ,使得管 道系统极易发生各种损伤 ,如腐蚀 、开裂和材料退化 ,造成管网承压能力降低。一旦发生失效事故 停工停产,造成巨大经济损失 ,甚至发生人员伤亡 ,提出了一定的防腐蚀 方法 。但是 ,关于高温高压蒸汽环境中 20 钢管材组织性能方面的分析并不多见 ,为此 者采取拉伸试验 、硬度试验和金相检验等手段对 已服役 收稿日期:2008205209 作者简介 ,硕士研究生。的新疆稠油热采注气管取样管段的组织和力学性能 试验材料试验材料为已用 的稠油热采注气管道的干线管和支线 mm mm,用于间歇 式运输高温高压水蒸气和采油 工作温度270 380,工作压力 7~16 mpa) 。管道材料为 20 化学成分分析在管道上取样进行化学成分分析 ,结果见表 力学性能测试拉伸试验按 gb/ 2002标准进行 管道试样的化学成分(质量分数) tab. chemicalcomposit ions pipelinesamples simn 008gb/ 035样形状和尺寸如图 instron 公司全数字 化控制电液伺服疲劳试验机上 (常温) 进行恒应变速 率加载试验 ,应变速率控制在 001min ,加载直至试样破坏 ,记录试样的应力2 应变关系 、屈服强度 抗拉强度、伸长率和断面收缩率 ,力学性能试验结果 见表 管道内弯管硬度(内侧2 外侧) fig. hvval ue heinsi de bend pipel ine mm)fig. ensilesample 管道不同部位的力学性能tab. mechanicalperformance rent po sit io 管道外弯管硬度(内侧2 外侧) fig. hvval ue heout si de bend pipeline 分组号 屈服强度 mpa抗拉强度 mpa伸长率 焊缝327 硬度测试从管道上取样 1999标准制取 试样采用维 mm方块试样抛光 ,每间隔 mm。测定结果见图2~5 金相检验从管壁上切下一小块管材 ,切取试样 mm(保留管道内壁) ,丙酮除油 ,在抛光机上抛光,用去离 子水清洗后吹干 ,再用 xb2c光学显微镜下观测 。管道的显微组织见 管道焊缝管硬度(内侧2 外侧) fig. hvval ue hewel 管道直管硬度(内侧2 外侧) fig. hvval ue hest raight pipeline 270 :稠油热采注气管使用后的性能变化波测厚仪 ,仪器精度为 01mm 。检测位置如图 所示。在每一管截面的右 时针方向)分别测定 ,结果见表 测量管截面位置示意图fi estpipe sect ion posit ion 不同位置管段的厚度ta hickne rentpip posit io 管道的显微组织200 ucture hepipeline insidewall intur center insidewall excurvature insidewall straight pipe 不同部位管道的厚度测试测厚仪器采用德国 kk 公司 dm4dl 数字超声 可以看出,运行 后的管道化学成分正常 ,符合 20 可以看出:直管段的屈服强度低于外弯 而内弯管与外弯管的抗拉强度差不多,均明显大于 直管段的抗拉强度 ,这是因为管段弯制过程中的加 工硬化造成的 ,与硬度进行对比 。而直管段的断后伸长率为26. ,这也是管道冷弯残余形变的结果,因为在相 的变形能力下,弯管处的管道已经有了预变形 伸长率减小。但从断面收缩率上发现各管段处基 上相差不大,这是因为断面收缩率不是一个能表 敏感,而各管段的组织变化不大 。焊缝处的抗拉 度和屈服强度与直管段差不多,焊缝段的伸长率 显低于直管段,说明焊缝材料的塑性要比母材差 该重点防护。271 硬度根据图 对比发现,干线管弯管处的硬度明 显高于直管段处 ,这与冷弯制管过程中加工硬化有关。硬度在靠 近内壁表面 (第一个点) 显著降低 mm,这与该处组织的变化有关 。硬度值的高低 是钢中碳含量高低的反映 ,由此可知,管道内侧碳含量最低 ,管道发生 了脱碳 ,而从组织对比可知是由于渗碳体脱碳和珠 光体球化造成的。 中看到,20 钢干线管的基体组织为珠光体和铁素体 ,靠近内表面珠光体明显减少 ,这与长 期高温高压环境下的管道表面珠光体球化和渗碳体 脱碳有关 。在高温和应力长期作用下 ,原子扩散速 度加快 ,具有高能量的片状碳化物向低能量的球状 碳化物转变并进一步聚集长大 相逐渐减少,碳含量连续不断地下降 ,因此边 缘处碳浓度明显低于内部 。球化是金属在长期高温 作用下的一种组织变化的必然过程 。珠光体球化会使材料的室温和高温强度降低 。稠油热采注汽管线计划证明,渗碳体脱碳是因 为水蒸气中含有 h2 ,o2 ,co co2,渗碳体在高温 下与这些气体分子发生分解反应所致 。其化学方程 水蒸气中的h2 co2都是脱碳性物质 面与内部产生碳浓度差,内部的碳原子则向表面扩 ,新扩散到表面的碳原子被继续氧化,从而使脱碳 层逐渐加深 。脱碳过程进行的速度取决于表面化学 反应速度和碳原子的扩散速度 ,时间越长,脱碳层越深 。导致珠光体的数量较正 常组织要少 ,而珠光体硬度值要明显高于铁素体 mm厚度范围 ,显微组织中珠 光体明显减少 ,铁素体增多 ,且珠光体球化较严重 中看到,各管段最内侧的硬度值最 mm厚度左右 于中间的硬度,与金相检验结果一致 和内弯管处的内部组织没有太大区别,晶粒大小 光体和铁素体含量都没有显著区别。这与工作环境 有关 ,因为管道工作于 300 左右 ,远没有达到 20 钢的相变温度,所以其组织无论弯管和直管段都变 化不大 ,球化程度也不严重 。焊缝中心的晶粒明显 小于两侧热影响区 ,表现出的中心硬度高于两侧也 说明了这一点。 厚最大,这首先是管道弯制过程造成的 ,其次由于 道外壁腐蚀环境相同,减薄相差不多 。所以主要 壁腐蚀造成。如图 所示,从取样的管段处看 到外 弯处的内壁冲刷腐蚀严重 ,表面呈山峦起伏状 腐蚀产物疏松 ,大部分脱落 ,露出深浅不一的蚀坑 mm左右 。冲刷腐蚀与管道表面珠光体 脱碳有 冲刷腐蚀加剧 ,此外外弯处受拉应力 ,20 钢是对应力腐蚀 较敏感的材料 ,在管道注气和采油过程中有大量腐 蚀性介质 ,应力腐蚀也是造成冲刷 腐蚀的原因 。所以应着重加强管道外弯 处的内壁防 ,如防腐蚀层内贴技术(在管道内壁用 磁脉冲力内 贴上一个薄壁铝管 ,铝在空气中易形成 一层坚硬而致 密的氧化物薄膜从而达到防护目的) 管道外弯处内壁的形貌fig. interior appearance pipelineout si de bend posit ion 薄严重,是重点防护对象 ,应当在加工时尽量消除或 减小预拉应力 ,同时应加强对管道外弯处的检查 焊缝处的抗拉强度等力学性能与母材基本一致 ,但塑性小于直管段处 ,是薄弱环节 ,所以对于 焊缝处应加强检查保护 号试样脆性区与韧脆混合区边界断口形貌fi 10micrograph racture surface specimenbet ween br lezone lezone 验工作中发现 ,除了 10以外 ,其他温度下热影响 区的冲击断口也有类似的现象。图 11 x70管线钢焊接接头热影响区的断口形貌。 11热影响区断口形貌 fig. 11 micrograph racture surface haz蔺卫平等 x70管线钢焊接接头热影响区的冲击性能 影响焊接接头热影响区冲击功的因素有很多 管线钢在焊接过程中,由于焊接热量传递的影响 形成的热影响区呈现一种梯度组织,包括粗晶区 、临界区和亚临界区等。在实际取样过程中 型缺口的位置是固定的,但是有的焊缝形状不 太规则 ,而且热影响区各个区域都非常狭窄 ,在取样 上较难把握 ,因此 ,就有可能出现热影响区冲击功波 动较大的情况。 x70管线钢焊接接头热影响区冲击试样的 冲击功与断口剪切面积基本呈线性关系 ,冲击功越 x70管线钢焊接接头热影响区冲击试样的 断口由韧性区 、脆性区和韧脆混合区组成 。脆性区 为解理断裂 ,韧脆混合区为准解理断裂 ,高珊.西气东输工程大口径 x70 输气管线 西安:陕西科技出版社 x80管线钢焊接热影响区的 机械工程材料,2007 ,31 哈尔滨工业大学出版社 ,1998. (上接第 272 性能没有明显退化。但内壁表面 mm深度左右 珠光体球化较严重 ,脱碳明显 ,力学性能明显降低 造成管道内壁容易产生冲刷腐蚀,应加强管道内表 面的防护 稠油热采注气管线爆裂失效分析[ 石油机械,1997 ,25 腐蚀科学和防护技术,2003 ,15 石油化工腐蚀与防护,2001 ,18 2002金属材料 室温拉伸试验方法[ 西安:西安交通 大学出版社 ,1998. ,1996(15) :45248. 北京:机械工业出 schindler ctoa2based approach burst leak2before2breakbehavior[ internat ional journal piping,1996 ,69

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