摘要：近年来，我国对能源的需求不断增加，地热资源的开发利用也越来越受到重视。通过对地热资源开发用管材现状分析，提出建立高、中、低温系列地热资源耐蚀合金体系，设计经济型特殊螺纹接头，利用基于应变管柱设计理论开发地热资源专用管材，以期有效解决地热资源开发过程中的腐蚀、变形和接头泄漏等问题。在此基础上，提出建立地热资源开发用管材性能评价体系，确保管材性能和工况适用性，保证地热资源安全开发和长期有效利用。
关键词：地热资源；耐蚀合金体系；管材设计；评价体系
引言
地热能使用过程中的便捷性也比较强，环保效果显著。为确保地热资源用管材的质量和性能，提出地热资源系列专用管材性能评价技术。对于促进地热资源的开发利用、延长生命周期具有非常重要的经济、环境及社会意义。
1地热资源概述
（1）定义。地热资源勘查（geothermalresourceex－ploration）是指为查明地热源而采取的一些地质勘测工作，其中包含了地球物理、化学以及地质综合调查，并且对钻探以及取样和实验等获取相关地质信息。（2）成因。相关学者普遍认为，地球内热的主要来源为各类放射性元素释放的能量，也包含重力分异热、化学反应热等。其中地球重力热指的是，地球物质在重力作用下，会向地心集中，并将势能转换为热能，地球重力热在地球成性初期、后期具有很大的作用。相关研究资料显示，在45亿年前原始地球形成，是一个未曾分异、低温、地尘埃的混合体，此阶段的主要成分为硅化物、铁镁氧化物等。若想有效应用放射性元素地热能，应当具备两点。第一，元素半衰期应当与地球的年龄相当。第二，在构成地球的岩石中，放射性元素需具备足够的丰度。（3）分布。地热资源是从地核朝着地壳传递，由于地下构造之间的差异性，导致地壳获得的地热量呈不均匀分布。地热资源一般集中在板块活跃地带。
2地热资源开发利用意义
当前，能源短缺已成为制约全球经济可持续发展的重要问题之一。因此，急需发展清洁、可再生能源来替代传统常规能源。在太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能等清洁能源中，可以明显看出地热资源的技术潜能远远超过其他能源的总和。由于地热资源具有储量大、分布广、清洁环保、稳定性好、利用系数高等特点，受到了世界各国政府及研究机构的高度认同与重视。为了给节能减排创造良好的经济环境，目前世界银行和欧洲投资银行已不再为燃煤火电项目提供融资。在环境污染的压力下，中国近些年来已限制煤炭生产的增长，对地热资源开发的投入也逐步增加。随着世界各国政府越来越关注地热资源的利用，由此而引发了新一轮的地热资源开发的研究热。因此，加强地热资源的开发利用，提升关键技术与装备水平对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有重要意义。
3地热资源系列专用管材设计
3.1防腐蚀性能设计
腐蚀、结垢问题是地热井系列专用管材开发的最关键问题，目前采用的内防腐设计、非金属材料选择、选用耐蚀合金和增加管材腐蚀裕量等防腐方式各有优点，但均不能达到理想的低成本防腐效果。在油井管柱合金体系的基础上，依据高、中和低温3类地热井资源工况条件，通过研究合金成分与特定地热环境腐蚀速率之间的关系，建立系列耐蚀地热资源专用管材合金体系。同时分析温度及应力状态对管材腐蚀速率的影响程度，建立温度、应力状态及合金成分与腐蚀速率之间的关系，进而对管材合金成分进行优化设计，形成针对不同类型的地热资源采用低成本系列专用管材，满足地热资源开发的需求。
3.2抗变形性能设计
在地热资源用管选材设计过程中采用基于应变设计理论。其设计依据是设计应变小于许用应变。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆许用应变取决于材料的塑性变形能力和屈强比，用均匀延伸率来表征，防止材料局部颈缩变形、应力集中。基于应变的地热资源用管材设计方法要求，许用应变必须满足设计应变的要求。可见，应变设计方法采用应变参量作为主控参数，充分发挥材料的均匀变形能力，对材料性能的利用扩展到最大抗拉强度阶段，充分发挥材料均匀塑性变形能力，确保高温作用下管柱的使用性能满足地热资源工况要求。
3.3经济型螺纹接头设计
密封结构设计是确保地热井安全可靠运行的关键。密封结构失效将导致非常严重的黏扣、滑脱、泄漏质量事故，极大影响螺纹接头的使用性能，缩短使用寿命。因此，在研究分析油井管产品API螺纹接头、特殊螺纹接头及密封结构的基础上，设计开发一种经济型地热井用螺纹密封接头。应用数值分析方法优化螺纹接头结构参数，通过全尺寸实物性能评价方法对接头性能进行适用性评价，验证经济型密封接头在地热工况条件下的密封结构性能，确保在节省经济成本的前提下，提升管柱结构的密封性能。
4地热源物探
第一，承压型地热资源，在热的传递过程中产生地热异常，一般情况下，地热资源在掩埋在地下深层。在地热资源勘探中，电法属于应用较为广泛的一种，主要是因为在勘查过程中，具有高精准度、高效率的特点。在承压型地热资源勘查过程中，一般应用地震、重力勘探技术。第二，裂缝型地热资源，由地下深处热源以及深大断裂相互联通导致。只要存在地热资源的地方，在地下水运动中，大地电磁与地下水地层不同。
5地热资源专用管性能评价体系
为了准确评估地热资源系列专用管的质量性能，地热资源系列专用管性能评价体系应在常规检验项目基础上，增加全尺寸适用性评价试验，实现对管材材料性能、腐蚀性能、接头黏扣趋势、密封性、疲劳性能及结构完整性等整体性能指标的检测。为了尽可能模拟地热资源用管材的工况适用性，应开展管材环境行为及力学行为2方面适用性能评价研究。①管材对环境的适用性，主要进行管材化学成分、组织、材料的高低温力学性能及材料在特定工况条件下的腐蚀性能研究；②管材对力学行为的适用性，主要开展全尺寸实物性能研究。首先通过进行上/卸扣试验、复合载荷试验，检验接头的抗黏扣、抗扭转性能，以及在轴向载荷、内外压力、弯曲等多种载荷复合应力作用下的密封性能和结构完整性；其次通过全尺寸弯曲疲劳、腐蚀疲劳试验，可以检验管体和接头的抗疲劳性能及在腐蚀环境下的疲劳寿命。
结束语
综上所述，为了有效控制和减少地热资源用管柱的失效事故，延长管柱的使用寿命，分析地热资源用管材的使用现状和失效因素，提出建立高、中和低温3种类型地热资源系列专用耐蚀合金体系，实现低成本管材防腐控制。在基于应变管柱设计理论的基础上，开发高温抗大变形管柱设计方法，降低变形等管柱结构失效事故。提出开发经济型特殊螺纹接头，实现管柱低成本高密封性能，预防泄漏等失效问题。在管材设计基础上，提出建立地热资源系列管材全尺寸评价技术，开展管材适用性评价，确保地热资源系列专用管材的质量性能。
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论文作者:杨立柱 李旭强 杨立场
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：地热论文; 管材论文; 资源论文; 性能论文; 管柱论文; 应变论文; 合金论文; 《工程管理前沿》2019年第18期论文;