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潜心研究攻关 支撑保障油气工程安全——石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室

2021-05-19

 

石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室(以下简称“实验室”)是在2000年成立的中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室和2013成立的陕西省石油管材及装备材料服役行为与结构安全重点实验室基础上,依托中国石油天然气集团公司管材研究所(中国石油集团石油管工程技术研究院),于2015年经国家批准建立。
实验室以石油管材及装备材料服役行为与结构安全科学基础研究和应用基础研究为主攻方向,以提升国家石油管材及装备科技支撑保障能力为目标,从石油管材及装备的服役条件出发,重点开展石油管材及装备的力学行为、环境行为、材料的成分/组织/性能/工艺的相关性、失效控制与预测预防、安全评价与完整性等领域的研究,揭示石油管材及装备失效的机理和规律,建立失效控制理论,提出失效控制方法,发展全寿命周期的安全可靠性和完整性技术、石油管材及装备的应用关键技术,形成石油管材及装备材料服役行为与结构安全核心技术体系和标准体系,确保石油管材及装备的长期服役安全。
 
1 研究方向
实验室的研究方向包括输送管与管线安全评价研究、油井管与管柱失效预防研究、石油管材及装备腐蚀与防护技术研究、先进材料及应用技术研究。
(1)输送管与管线安全评价研究。针对我国大口径、长距离、高压力、高钢级管道和储运设施建设和长期安全运行需求,研究建立油气输送管道失效控制理论,形成完整性技术体系。包括高压大口径天然气管道断裂控制理论与技术、高强度管道变形控制理论与技术、油气管道失效机理与失效预防技术、油气管道安全风险评价技术、油气储运设施完整性技术等。
(2)油井管与管柱失效预防研究。围绕特殊结构和特殊工艺井,超深、超高温、超高压、超长水平井及高压大排量分段压裂改造对油气井管柱服役性能、安全可靠性、质量和寿命提出新的更高的要求,研究建立油气井管柱失效控制理论,形成完整性技术体系。包括油井管失效机理和规律、管柱优化设计及适用性评价方法、油气井管柱结构完整性和密封完整性、高性能油井管安全应用关键技术等。
(3)石油管材及装备腐蚀与防护技术研究。针对高温、高压、严酷腐蚀介质油气田石油管材及装备存在的严重腐蚀问题,开展系统研究,揭示失效机理和规律,提出有效预防措施,确保管材及装备安全。包括高温高压及严酷腐蚀环境油套管腐蚀机理及防治技术,高酸性气田管材腐蚀机理及采集系统腐蚀综合防治技术,炼化管道及容器腐蚀行为与评价方法,腐蚀检测、监测、预测和预防技术等。
(4)先进材料及应用技术研究。针对复杂工况和特殊服役环境用石油管材及装备,开展先进和特殊专用材料成分/组织/性能/工艺及应用技术研究,保障其服役安全。包括X80及以上钢级管线钢管成分/组织/性能/工艺,高强高韧、高抗挤、高抗扭、耐腐蚀、长寿命油井管成分/组织/性能/工艺,高性能非金属管材、复合管材成分/组织/性能/工艺,新型石油装备用钢及应用关键技术等。
 
2 学术委员会和人员结构
现任实验室学术委员会主任为中国工程院院士黄维和,副主任分别为中国工程院院士李鹤林和中国科学院院士高德利。实验室主任为冯耀荣教授级高工。实验室现有固定人员162人,其中中国工程院院士1人,国家(中青年)突出贡献专家、国家百千万人才、孙越崎能源大奖获得者、中国青年科技奖获得者等9人,陕西省顶尖人才、三秦学者、三五人才工程、科技创新领军人才、青年拔尖人才、科技新星和中国石油集团高级技术专家、孙越崎优秀青年科技奖获得者等21人。专业涉及材料科学与工程、力学、安全工程、石油天然气工程、冶金工程、机械工程、计算机科学与技术、化学、物理等学科,形成了一支专业配套齐全、人才梯次合理的创新团队。
 
3 设备与仪器
实验室现有大型试验研究装备和仪器共38台(套),设备原值2.39亿元,除配备齐全的理化试验设备仪器外,还配备了扫描原位疲劳试验系统、大能量摆锤冲击试验机、高温高压釜等关键设备,配备建设了能够模拟石油管材服役工况的全尺寸实验装置,其中标志性装备10台(套),包括2 500 t全尺寸复合加载试验机、挤毁试验机、旋转弯曲疲劳试验机、应力腐蚀试验机、轴向内压-压缩-弯曲复合加载试验机等,建成了管道全尺寸气体爆破试验场。可满足复杂载荷和腐蚀介质作用下石油管材及装备服役行为和结构安全研究的需要。
 
4 科研成果
“十三五”期间,实验室承担国家课题37项,其中作为项目长单位承担国家重点研发计划2项;承担省部级和中国石油集团公司课题51项。获国家和省部级及社会力量科技奖励42项,其中国家技术发明奖二等奖1项,中国石油集团公司科技进步奖特等奖4项,省部级及社会力量一等奖7项、二等奖34项;发表SCI/EI收录论文105篇;4项成果被ISO、API采纳修改标准,制修订国家、行业、团体及企业标准100余项。研究成果为我国重大管道工程和重点油气田勘探开发提供了有力的技术支撑。
4.1 输送管与管线安全评价
针对国家西气东输系列重大管道工程建设需求,依托国家“西气东输工程大口径输气钢管国产化”项目、中国石油集团公司“西气东输二线工程关键技术研究”重大科技专项等项目,持续开展基础理论、应用基础和工程应用研究,为西气东输等重大管道工程提供了决策支持和技术支持。研究提出并实验验证了螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管联合选用的技术方案,提出并实验验证了大口径高压输气管线采用针状铁素体管线钢和钢管的技术路线,研究提出X70/X80板材和管材关键技术指标及检测评价方法,突破了管线钢和钢管组织性能表征评价、强度测试、屈强比、残余应力及断裂与变形控制等关键技术,制定了先进适用的系列标准80余项;联合冶金制造企业开展X70/X80卷板、钢板、焊管、感应加热弯管和管件国产化研制,经过共同努力,基本实现了西气东输系列管道工程X70/X80针状铁素体型高性能焊管的全面国产化,促使我国管道工程建设技术和高性能管线钢与钢管生产制造技术的重大进步,在国际上处于领跑地位。
近年来,为了满足建设380×108 m3/a以上超大输气量管道建设需求,承担了中国石油集团公司“第三代大输量天然气管道关键技术研究”重大科技专项研究。系统研究强度设计系数由0.72提高到0.8对X80管道的影响,提出管材关键性能指标和质量控制要求及标准,在西气东输三线示范工程中成功敷设261 km。研究形成OD1 422 mm X80 12 MPa管道断裂控制技术,开展OD1 422 mm X80 12 MPa直缝和螺旋埋弧焊管使用天然气介质管道全尺寸爆破试验,联合研发了OD1 422 mm X80系列产品,满足了中俄东线管道建设的需求。开展X90管道超前储备研究及产品联合开发,为X90管线钢和钢管的工程应用奠定了基础。
围绕油气管道特别是高钢级管道长期安全运行技术难题,系统开展管道安全评价、风险评估、修复补强等技术研究,形成油气管道安全风险评价技术及软件,制定了我国油气管道风险可接受推荐准则,形成了系统的油气管道安全评价和定量风险评估技术体系。形成基于风险的油气管道检测技术,发明了管道修复用复合材料体系和施工方法,研发了带锈转化、预浸料修复和均匀加压固化等工艺技术,建立了管道复合材料修复补强技术评价指标体系。研究成果在西气东输系列管线、陕京管道等22条重要油气管道中得到应用。
4.2 油井管与管柱失效预防
针对重点油气田勘探开发对油气井管柱的技术需求,依托相关国家和中国石油集团公司项目,研究建立了超深井、高温高压气井、致密油气井、特殊结构井和特殊工艺井等用高强度高韧性、高抗挤、耐腐蚀、特殊密封结构等非API油井管标准体系和技术体系,促进了油井管质量性能的持续提升并基本实现全面国产化。
近年来,针对稠油热采井套管严重损坏技术难题,系统研究形成了基于应变的套管柱设计理论方法和配套技术,形成1项国家标准和4项石油天然气行业标准,在新疆等油田得到应用。针对高温高压气井管柱完整性技术难题,研究提出套管柱失效概率计算方法,形成套管柱系统可靠性设计基本流程和计算方法,建立了基于可靠性的油气井管柱强度和密封性计算模型、方法和判据,形成了高温高压气井套管柱结构强度和密封性设计评价方法及标准,在高温高压气井管柱设计校核和评价中得到应用。研究建立了考虑表面涂层和粗糙度影响的油套管特殊螺纹临界气密封压力计算方法,设计研发了既安全又经济的水平致密气井用新型特殊螺纹套管及制备技术,在长庆油田得到应用。在系统研究套管抗挤强度影响因素的基础上,提出高抗挤套管分级方法和技术指标,形成高抗挤套管技术规范,修订了ISO 11960国际标准。明晰饱和硫化氢环境下钻杆材料韧性损失规律,建立抗硫钻杆韧性指标计算方法,形成抗硫钻杆选用技术行业标准,修订了ISO 11961标准。针对页岩气开发中的严重套变技术难题,揭示了套变机理及影响因素,提出通过井筒一体化协调变形缓解套变的新方法;自主设计研发了非常规油气井套管柱模拟实验系统和评价技术。
4.3 腐蚀与防护
针对高温高压气井油套管柱均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及化学-力学协同作用技术难题,揭示了油气井管柱全生命周期多环境连续作用下点蚀失效机制,发现了13Cr马氏体不锈钢管柱点蚀发展过程的遗传效应,发现13Cr马氏体不锈钢中的逆变奥氏体可抑制界面贫Cr从而提高耐点蚀性能的现象及其微观机制。阐明了13Cr管柱内表面在大排量酸液环境中的应力腐蚀开裂机制,缓蚀剂吸附膜局部破损引发点蚀,蚀坑内“低pH-高应力”微环境诱发裂纹并沿原奥氏体晶界扩展。发现了13Cr管柱外表面在碱性环境中的应力腐蚀开裂行为,马氏体不锈钢多尺度结构界面Cr元素贫化引发开裂现象。针对油气井2个作业过程、5种服役工况,建立了“多环境”腐蚀试验评价技术;系统研究了8种材料的腐蚀规律及影响因素,构建了高温高压气井管柱选材图;自主设计研发了集环境、载荷、结构于一体的全尺寸油井管柱应力腐蚀试验装置,建立了试验评价方法和标准,解决了管柱“全尺寸、多参数” 腐蚀评价、及在应力作用下腐蚀和密封耦合作用等技术难题,进一步揭示了13Cr马氏体不锈钢管柱在现场酸化工况下由点蚀发展为开裂的腐蚀失效历程和机制。建立了适用于高温高压气井酸化增产工况的“空间多分子层多吸附中心”高温酸化缓蚀模型,发明了耐高温酸化缓蚀剂配方,开发了综合性能优异的TG系列高温酸化缓蚀剂产品,使用温度由140℃提高到180℃,满足了超深井管柱腐蚀控制的要求,在塔里木油田现场应用超过150井次。形成甲酸盐完井液防腐技术,杜绝了磷酸盐完井液导致的油管应力腐蚀断裂。自主设计研发了集输管道专用缓蚀剂,在塔里木油气田推广应用。
4.4 先进材料及应用技术
针对油气田地面管道、长输管道、海洋非金属复合管新材料及应用方面的技术难题,研究提出了油气田用非金属管的关键技术指标和质量性能评价方法,制定了系列标准,形成油气田用非金属管选材与质量控制评价技术体系;攻克了非金属材料复合管的选材、结构设计、制备工艺、关键性能测试评价等技术难题,制备了适用于水深500 m的海洋非金属材料复合管,在黄海海域通过海试;研发了包括内层钢管、过渡层、复合材料增强层及外保护层四层结构的复合材料增强管线钢管,制备了玻璃纤维复合材料增强X80 OD1 219 mm管线钢管,爆破压力由23 MPa提高至37 MPa;研究提出了抗硫非金属管关键技术指标,建立了抗硫非金属管选材评价方法、非金属材料气体渗透性检测及控制方法,形成含硫油气环境中的介质适应性评价技术,研发出抗硫非金属复合管新产品,在塔中Ⅰ号气田TZ 262-H1得到应用。自主研发了高性能膨胀管管材设计与制造技术,采用基于应变诱发塑性机制的管材设计理论,有效解决现有膨胀管强塑性匹配不佳的问题,形成高锰TWIP钢膨胀管铌微合金化组织与性能调控技术和制备工艺、低合金TRIP钢膨胀管组织与性能调控技术和制备工艺;自主设计研发膨胀管全尺寸实物膨胀评价试验系统,建立了复杂工况条件下膨胀管实物性能评价技术与标准。针对钻机负荷轻量化、大位移水平井摩阻控制及耐蚀性需求,联合研发了460 MPa级铝合金钻杆,在塔里木油田获得成功应用。主持联合研制的高强度钛合金钻杆,在中石化西北油田塔河油区圆满完成首次下井应用试验。
 
5 开放合作与交流
实验室通过开放课题、开放设备、战略合作、联合研究、专题技术交流、国际会议、科普基地等形式,积极开展国际国内合作交流。实验室定期设立开放课题,吸引中青年科技人员开展基础理论和创新性研究。实验室与美国、加拿大、意大利、日本、俄罗斯等10余个国家的20多个科研机构和企业开展经常性合作与交流,并且与国内高等院校、研究机构、油气田、管道公司、石油管材及装备生产制造企业建立了稳定的合作关系。定期举办石油管及装备材料国际会议、石油管材及装备材料服役行为与结构安全研讨会,提高了学术技术水平,扩大了实验室的影响。
石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室将以建设国际一流实验室为目标,坚持“四个面向”,紧紧围绕我国油气工业和能源工业发展战略需求,持续加强应用基础研究和重大科技攻关,不断提升创新能力和核心竞争力,持续增强综合实力,为我国能源战略安全作出更大的贡献。