CN117589663B - 一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法 - Google Patents
一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及油气田非金属管道检测维护技术领域的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，基于实验室模拟环境下的加热老化实验，测试不同实验温度下环向抗拉强度保持率，然后基于阿伦尼乌斯公式和时温等效原理计算时温转换因子，再根据时温转换因子将实验温度下的老化数据转换得到服役温度下等效数据，并对等效数据进行拟合得到剩余寿命计算模型，对油气田非金属管道的剩余寿命预测具有良好的适用性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道寿命预测方法，特别是涉及应用于油气田非金属管道检测维护技术领域的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法。
背景技术
随着能源行业的不断发展和油气资源的不断开发，油气田的管道网络在世界各地得到广泛应用。非金属管道因其出色的耐腐蚀性、轻质高强度和耐用性使其成为管道系统的重要组成部分。然而油气田中的非金属管道可能会因多种因素的共同作用发生老化失效，包括腐蚀、温度和压力变化、物理损伤、紫外线暴露、设计和制造缺陷、水含量和湿度、以及操作不当。这些因素可能导致管道壁的薄化、开裂、孔洞和其他问题，最终引发失效。
为了减轻这些老化失效的危险，油气田运营商通常需要采取措施，包括定期检查、维护和监测管道系统，实施质量控制，并不断改进和采用新技术，以提高管道系统的可靠性和寿命，确保安全和高效的运行条件；在现有标准体系的指导下，油气田非金属管道的选材、设计、制造、施工和验收等服役前期阶段已经规范化，而且现有的失效分析水平已经能够甄别出对应于制造与施工阶段的事故原因；
然而在实际工程应用过程中，尚未系统建立原材料和非金属管道基本性能的检测方法，也无相关规范和标准对其耐久性进行检测，针对油气田非金属管道服役阶段开展的工作也很少；因此，开展对非金属玻璃钢管的老化和寿命预测将有利于确保油气田操作的安全性，降低事故风险，同时，剩余寿命预测有助于资源分配的优化，降低维护成本，并对可持续性产生积极影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是现有油气田非金属管道维护过程中缺少管道寿命预测方法。
为解决上述问题，本发明提供了一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，包括如下步骤：
步骤一，选材、分组和编号；选取实验所需使用的非金属管材，对同批次管道中的多根管材进行分组并标记编号；
步骤二，进行加热老化试验，计算环向拉伸强度保持率Rs，并拟合环向拉伸强度保持率Rs与实验时间t实验的关系式；基于时温等效原理设计实验室环境下的加热老化实验，选取不同的实验温度T实验，测量不同的实验时间t实验时管道的环向拉伸强度值σ，然后计算环向拉伸强度保持率Rs，，其中σt和σ0分别为实验后和初始状态下的环向拉伸强度值；然后选取方程/>对不同实验温度下的环向拉伸强度保持率Rs与实验时间t实验的关系进行拟合，其中a、b和c均为常系数，t为时间；
步骤三，计算时温转换因子α；定义管道失效时的环向拉伸强度保持率阈值为Rk，计算时温转换因子α，具体包括如下步骤：
S1，根据阿伦尼乌斯公式，获得其变形为，其中Ea为反应活化能，R为摩尔气体常数8.314KJ/mol，A为常数，t为时间；将Rs的值取Rk时所对应的不同实验温度T实验和实验时间t实验代入上述公式计算Ea/R值；
S2，将得到的Ea/R值代入到时温转换因子α的计算式得到Rs值为Rk时不同实验温度T实验和不同服役温度T服役之间的时温转换因子α值，其中T0为实验温度T实验，T1为实际服役温度T服役；
步骤四，管材寿命计算；首先，将不同实验温度T实验下与其对应的实验时间t实验乘以室温转换因子α，得到实际服役温度T服役情况下管道的服役时间t服役，将t服役值和对应的强度保持率Rs值代入拟合方程Rs=d*t^e方程，得到常数d和e，进而获得环向拉伸强度保持率Rs与服役时间t服役的拟合方程；然后将现场服役的管道测得的环向拉伸强度保持率Rs服役代入拟合方程Rs=d*t^e，得到已经服役时间t服役，将管道设计失效环向拉伸强度保持率Rk带入方程Rs=d*t^e，得到管道总的寿命时间t设计，则管道剩余寿命t剩余=t设计-t服役。
在上述用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法中，通过加速老化实验获得环向拉伸强度保持率，然后基于活化能转换公式拟合计算时温转换因子，最后根据时温转换因子拟合计算服役管道的实际老化时间。
作为本申请进一步的改进，在步骤二中测试环形拉伸强度值的方法是据实验标准ASTM D2990中的分离盘法测试环向拉伸强度操作规程对不同实验温度老化后的管道进行环向取样并进行拉伸测试。
作为本申请进一步的改进，在步骤三中，Rk取值范围为75%≤Rk＜100%。
作为本申请进一步的改进，在步骤一中，需要选取同种实际服役环境下在相同规格的同一批管道中的至少12根管道，并以至少4根为一组进行分组和编号。
作为本申请进一步的改进，油气田非金属管道为玻璃纤维或环氧复合材料制成。
综上所述，本发明基于实验室模拟环境下的加速老化实验，测试不同实验温度下环向抗拉强度保持率，然后基于阿伦尼乌斯公式和时温等效原理计算时温转换因子，再根据时温转换因子将实验温度下的老化数据转换得到预测温度等效数据，并对等效数据进行拟合得到剩余寿命计算模型，对油气田非金属管道的剩余寿命预测具有良好的适用性和准确性。
附图说明
图1为本申请的流程图；
图2为本申请中实验室加速老化试验中不同实验温度下环向拉伸强度保持率与老化时间的拟合曲线图；
图3为本申请中基于阿伦尼乌斯变形公式得到的ln(1/t)与(1/T)的拟合曲线图；
图4为本申请中在服役温度为25摄氏度下剩余强度保持曲线。
具体实施方式
下面对本申请的实施方式作详细说明。
实施方式：
请参阅图1-4，一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，包括如下步骤：
步骤一，选材、分组和编号；选取实验所需使用的非金属管材，对同批次管道中的多根管材进行分组并标记编号；
具体的，选取同种实际服役环境下在相同规格的同一批管道中的12根管道，并以4根为一组进行分组和编号，提高实验样本数量，提高实验数值的准确性，便于回归拟合；
步骤二，进行加热老化试验并计算环向拉伸强度保持率Rs；基于时温等效原理设计实验室环境下的加温老化实验，选取不同的实验温度T实验，测量不同的实验时间t实验时管道的环向拉伸强度值σ，然后计算环向拉伸强度保持率Rs，，其中σt和σ0分别为实验后和初始状态下的环向拉伸强度值；
具体的，将3组且每组4根的管材进行老化实验，将实验温度T实验取65℃、80℃、95℃得到不同实验温度T实验下环向拉伸强度保持率Rs和实验时间t实验的数据点集合（T实验，t实验，Rs），并根据数据点集合（T实验，t实验，Rs）选取拟合方程进行回归拟合，得到常系数a、b和c的值并获得如附图2所示的回归拟合曲线图；
需要说明的是，在步骤二中测试环形拉伸强度值的方法是据实验标准ASTM D2990中的分离盘法测试环向拉伸强度操作规程对不同实验温度老化后的管道进行环向取样并进行拉伸测试；
步骤三，计算时温转换因子α；定义管道失效时的环向拉伸强度保持率阈值为Rk，计算时温转换因子α；
具体包括如下步骤：
S1，根据阿伦尼乌斯公式，获得其变形为，其中Ea为反应活化能，R为摩尔气体常数8.314KJ/mol，A为常数；将Rs的值取Rk时对应的实验温度T实验和实验时间t实验代入上述公式计算Ea/R值；
S2，将得到的Ea/R值代入到时温转换因子α的计算式得到Rs值为Rk时且不同实验温度T实验和不同服役温度T服役时温转换因子α值，其中T0为实验温度T实验，T1为实际服役温度T服役；
具体的，取失效环向拉伸强度保持率阈值Rk=75%，得到不同实验温度T实验下的实验时间t实验，如下表格：
需要说明的是Rk取值范围可为75%≤Rk＜100%；
对表1中的数据带入进行拟合得到ln(1/t)与(1/T)的拟合图如附图3所示；
然后将表1数据值带入方程获得Ea/R值及其拟合决定系数R2如下表：
最后，将表2中的数值带入到/>得到不同实验温度T实验和不同服役温度T服役时的时温转换因子α的值，实验温度65℃、80℃和95℃分别向服役温度为40℃和20℃转化的时温转化因子如下表：
步骤四，管材寿命计算；首先，将不同实验温度T实验下与其对应的实验时间t实验乘以室温转换因子α，得到实际服役温度T服役情况下管道的服役时间预测值t服役，将t服役值和Rs值代入拟合方程Rs=d*t^e方程，得到常数d和e，进而获得环向拉伸强度保持率Rs与服役时间t服役的拟合方程；然后将现场服役的管道测得的环向拉伸强度保持率Rs服役代入拟合方程Rs=d*t^e，得到已经服役时间t服役，将管道设计的失效环向拉伸强度保持率Rk带入方程Rs=d*t^e，得到管道总的寿命时间t设计，则管道剩余寿命t剩余=t设计-t服役；
具体的，测得现场服役温度T服役=25℃，测得现场的环向拉伸强度保持率为Rs服役，将Rs服役和Rk分别代入Rs=d*t^e得到t服役和t设计，然后计算t剩余=t设计-t服役得到管道剩余寿命t剩余，另外，拟合方程Rs=d*t^e的拟合图如附图4所示。
结合当前实际需求，本申请采用的上述实施方式，保护范围并不局限于此，在本领域技术人员所具备的知识范围内，不脱离本申请构思作出的各种变化，仍落在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，选材、分组和编号；选取实验所需使用的非金属管材，对同批次管道中的多根管材进行分组并标记编号；
步骤二，进行加热老化实验，计算环向拉伸强度保持率Rs，并拟合环向拉伸强度保持率Rs与实验时间t实验的关系式；基于时温等效原理设计实验室环境下的加热老化实验，选取不同的实验温度T实验，测量不同的实验时间t实验后管道的环向拉伸强度值σ，然后计算环向拉伸强度保持率Rs，，其中σt和σ0分别为实验后和初始状态下的环向拉伸强度值；然后选取方程/>对不同实验温度下的环向拉伸强度保持率Rs与实验时间t实验的关系进行拟合，其中a、b和c均为常系数，t为时间；
步骤三，计算时温转换因子α；定义管道失效时的环向拉伸强度保持率阈值为Rk，计算时温转换因子α，具体包括如下步骤：
S1，根据阿伦尼乌斯公式，获得其变形为，其中Ea为反应活化能，R为摩尔气体常数8.314KJ/mol，A为常数，t为时间；将Rs值取为Rk时所对应的不同实验温度T实验和实验时间t实验代入上述公式计算Ea/R值；
S2，将得到的Ea/R值代入到时温转换因子α的计算式得到不同实验温度T实验与不同实际服役温度T服役之间的时温转换因子α值，其中T0为实验温度T实验，T1为实际服役温度T服役；
步骤四，管材寿命计算；首先，将不同实验温度T实验下对应的实验时间t实验乘以时温转换因子α，得到实际服役温度T服役情况下管道的服役时间t服役，将t服役值和对应的强度保持率Rs值代入拟合方程Rs=d*t^e方程，得到常数d和e，进而获得环向拉伸强度保持率Rs与服役时间t服役的拟合方程；然后将现场服役的管道测得的环向拉伸强度保持率Rs服役代入拟合方程Rs=d*t^e，得到已经服役时间t服役，将管道设计的失效环向拉伸强度保持率阈值Rk带入方程Rs=d*t^e，得到管道总的寿命时间t设计，则管道剩余寿命t剩余=t设计-t服役。
2.根据权利要求1所述的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤二中测试环形拉伸强度值的方法是据实验标准ASTM D2990中的分离盘法测试环向拉伸强度操作规程对不同实验温度老化后的管道进行环向取样并进行拉伸测试。
3.根据权利要求1所述的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤三中，Rk取值范围为75%≤Rk＜100%。
4.根据权利要求1所述的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤一中，需要选取同种实际服役环境下在相同规格的同一批管道中的至少12根管道，并以至少4根为一组进行分组和编号。
5.根据权利要求1所述的一种用于油气田非金属管道的剩余寿命预测方法，其特征在于，所述非金属管道为玻璃纤维和环氧复合材料制成。
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Legal Events
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