高含砂流体环境下高压测试流程弯管侵蚀缺陷残余强度建模与安全评估研究

针对油气井测试流程弯管在高压含砂流体长期侵蚀下易发生壁厚减薄导致泄漏失效的问题，研究人员通过爆破试验验证残余强度仿真模型，结合宏观/电镜扫描分析缺陷形貌，建立缺陷参数与残余强度的非线性关系模型，为高压厚壁测试流程无损检测提供理论依据。成果发表于《Geoenergy Science and Engineering》。

　　

在油气田开发过程中，测试流程作为获取井口压力、温度及产量数据的关键设备，长期暴露于含砂高压流体的严苛环境中。高速流动的砂粒会像"微型磨料"般持续冲击管道内壁，导致弯管等关键部位出现"蚕食效应"——壁厚逐渐减薄。当壁厚降低到临界值时，在内部高压作用下极易发生突发性破裂，轻则造成生产中断，重则引发灾难性事故。然而，目前行业缺乏针对这类高压厚壁测试流程的缺陷报废标准，使得现场安全评估如同"无标尺的测量"，存在重大隐患。

中国石油大学（北京）的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，为解决这一难题提供了科学方案。研究团队首先通过独创的"内外缺陷爆破试验"构建了高压管件的失效判据：设计包含控制系统、水罐、泵组和专用夹具的试验装置，对预制缺陷的管件进行爆破测试，发现缺陷深度每增加1mm，失效压力降低达12.3MPa。基于此，他们建立了经试验验证的残余强度有限元模型（Finite Element Analysis, FEA），其预测误差控制在4.7%以内。

关键技术包括：1）采用电子显微镜（SEM）对现场失效弯管进行微纳米级缺陷形貌分析；2）通过Buckingham π定理建立缺陷参数无量纲关联式；3）基于ANSYS平台进行多参数耦合仿真，分析缺陷长度（L）、宽度（W）、深度（D）三要素对残余强度的非线性影响。

缺陷形貌特征分析
对服役后失效弯管的检测显示，90°弯头出口段呈现典型的"月牙形"侵蚀形貌，最大壁厚减薄量达原始厚度的47%。电镜扫描发现缺陷表面存在"鱼鳞状"剥落特征，表明砂粒冲击导致材料发生塑性变形累积。

缺陷参数影响规律
仿真结果表明：缺陷深度是影响残余强度的主导因素（贡献率62%），当D>6mm时，弯管爆破压力骤降34%；而缺陷长度在L>40mm后对强度的影响趋于平缓。研究首次发现"缺陷宽深比效应"：当W/D<2时，强度衰减速率加快1.8倍。

残余强度预测模型
通过300组仿真数据拟合，建立包含压力（P）、缺陷参数的强度预测方程：P_res=α·(D/t)^-0.73+β·(L/D)^0.15，其中t为公称壁厚，模型决定系数R²达0.983。该模型已成功应用于某页岩气田测试流程的安全评估，准确预测出3处高危缺陷位置。

这项研究的意义在于：首次系统建立了高压厚壁测试流程的缺陷评估方法体系，提出的"临界宽深比"概念为制定行业报废标准提供了量化依据。团队开发的智能评估系统已实现"缺陷扫描-三维建模-强度预测"全流程自动化，将传统需72小时的评估过程缩短至3小时。该成果不仅适用于油气领域，对化工、核电等高压管道的安全评估同样具有重要参考价值。