高压厚壁测试流程弯管侵蚀缺陷残余强度建模与非线性拟合研究

为解决高压测试流程弯管因侵蚀缺陷导致的壁厚减薄和破裂风险问题，研究人员通过爆破试验验证残余强度仿真模型，结合缺陷形貌宏微观分析建立侵蚀缺陷简化模型，系统研究了缺陷参数（长度/宽度/深度）对残余强度的影响规律，并构建了残余强度与缺陷参数的数学关系模型。该研究为高压测试流程无损检测提供了理论依据，填补了行业废弃标准空白。

　　

在油气田开发过程中，测试流程（Test Flow）作为获取地层流体参数的核心装备，长期承受含固相高速流体的冲击，其弯管部位易发生侵蚀磨损导致壁厚减薄。当壁厚降低至临界值时，高压流体可能引发管道穿孔或爆裂，造成严重安全事故。然而，目前行业缺乏针对高压厚壁测试流程的废弃判定标准，使得现场运维面临巨大挑战。

针对这一技术瓶颈，中国国家自然科学基金和四川省自然科学基金支持的研究团队开展了系统性研究。研究人员首先通过预制缺陷管道的爆破试验（Bursting Test），验证了残余强度（Residual Strength）仿真模型的准确性，并优化了失效判据。随后，对现场使用后出现侵蚀失效的弯管进行缺陷形貌分析，采用电子显微镜扫描技术明确了缺陷特征，建立包含椭圆型缺陷的弯管简化模型。通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）系统考察了缺陷长度、宽度和深度对残余强度的影响规律，最终通过非线性拟合构建了残余强度预测数学模型。

关键实验方法

1. 材料本构模型建立：从测试流程钢材取样进行拉伸试验，获取基本力学参数
2. 爆破试验装置设计：集成控制系统、液压泵组和应变测试系统，开展内外缺陷管道的对比爆破实验
3. 缺陷表征技术：采用宏观测量和SEM扫描对现场失效弯管进行三维形貌重建
4. 数值模拟：基于ABAQUS平台建立缺陷参数化模型，分析应力分布和失效压力

研究结果
Material Constitutive Model
通过三组拉伸试验获得材料的应力-应变曲线，为后续仿真提供准确的弹塑性参数。测试流程材料的屈服强度达758MPa，延伸率为18.7%，表现出优良的机械性能。

Experimental Design
爆破试验表明：缺陷深度是影响失效压力的主导因素。当外缺陷深度从2mm增至6mm时，爆破压力下降37.2%；内缺陷的敏感性更高，同等深度变化导致压力降低42.8%。

Macroscopic Analysis of Defect Morphology
现场弯管缺陷呈现典型的"马蹄形"侵蚀特征，最大壁厚减薄位于弯管外侧45°区域。SEM分析显示缺陷表面存在蜂窝状凹坑和微裂纹，证实其为固相颗粒冲击磨损所致。

Establishment of Elbow Model with Defects
建立的椭圆缺陷模型最大程度保留了实际缺陷的几何特征。仿真结果表明：当缺陷长度超过管径30%、深度超过壁厚50%时，残余强度急剧下降，呈现明显的尺寸效应。

Conclusion
研究确立了高压厚壁弯管残余强度的量化评价方法：

1. 爆破试验验证了仿真模型的可靠性，误差控制在5%以内
2. 缺陷深度对残余强度的影响系数达0.83，显著高于长度（0.42）和宽度（0.15）
3. 构建的数学模型可准确预测不同参数组合下的失效压力（R²>0.96）

该成果发表于《Geoenergy Science and Engineering》，为测试流程的安全评估提供了创新性解决方案。建立的缺陷评价体系已应用于国内多个油气田，成功预警多起潜在失效事故，经济效益超过亿元。未来研究可进一步考虑多缺陷耦合和交变载荷下的疲劳失效机制。