摘 要:某油管自墩粗端,距管端頭螺紋約211 mm 處發(fā)生斷裂。通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分 析、斷口分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)油管斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:操作環(huán)境中存在 H2S和 CO2,油管顯微組織中存在非金屬夾雜物,油管上由工具和卡具造成的機(jī)械損傷產(chǎn)生局部硬化和應(yīng) 力集中,使油管在濕 H2S環(huán)境下產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 

關(guān)鍵詞:油管;斷裂;硫化氫;應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;夾雜物 

中圖分類號(hào):TE931                                     文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                  文章編號(hào):1001-4012(2022)05-0040-04

油氣田使用的油管服役條件十分惡劣,除了要 承受液注力、摩擦力等復(fù)雜交變載荷的作用,還要承 受內(nèi)外部油、水、CO2、H2S、溶解氧和細(xì)菌等多種腐 蝕介質(zhì)的破壞,油管失效事故頻發(fā),給油氣田的安全 生產(chǎn)帶來(lái)很大困擾。 某油田 S-142井自井口第73根油管在使用約 700d后發(fā)生斷裂,其載荷為20~21t。

該斷裂油管 結(jié)構(gòu)形式為管端加厚型,斷裂位于墩粗端,距管端頭 螺紋約211mm,斷裂部位的管外徑為74.9mm,壁 厚為5.7mm,材料為 N80Q 鋼,油管內(nèi)介質(zhì)為油、 氣和水,介質(zhì)中含有 CaCl2,CO2,H2S,礦化度(單位 體積液體介質(zhì)中所含的各種離子、分子和化合物的總 量)為10000mg/L。為查明油管斷裂原因,筆者在 該斷裂油管上取樣并進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

油管斷裂發(fā)生在距管端頭螺紋211 mm 處,該 段油管螺紋側(cè)略粗,斷裂部位實(shí)測(cè)外徑為74.9mm。 管內(nèi)、外存在油污,外壁存在機(jī)械損傷,呈有規(guī)律排 列的油管鉗夾持痕跡和凹坑。剖開(kāi)油管后可見(jiàn)內(nèi)壁 表面存在腐蝕坑,斷裂面垂直于油管縱向,較平齊。 油管沒(méi)有發(fā)生明顯變形,在斷裂面上同時(shí)可見(jiàn)平行 斷面的環(huán)向裂紋和垂直斷面的二次裂紋(見(jiàn)圖1)。

1.2 化學(xué)成分分析 

在斷裂油管上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如表1所示。 

在SY/T6194—2003《石油天然氣工業(yè)油氣井 套管或油管用鋼管》表 C.5中規(guī)定,第一組中的 H, J,K 和 N 鋼級(jí)所有油管中的硫、磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng) 不大于0.030%,其他化學(xué)元素含量未作規(guī)定,油管 以能達(dá)到相應(yīng)的力學(xué)性能為準(zhǔn)。

1.3 斷口分析 

1.3.1 宏觀形貌 

油管主斷裂面垂直于油管縱向,為橫向斷裂。 在斷裂面上同時(shí)存在著橫向裂紋和縱向裂紋,主斷 裂面粗糙、有油污,清洗后可見(jiàn)人字形花樣,斷裂面 的壁厚無(wú)明顯減薄,無(wú)宏觀塑性變形,無(wú)剪切唇。斷 裂源呈多源特征,外壁裂紋源于機(jī)械損傷,內(nèi)壁裂紋 源于腐蝕坑(見(jiàn)圖2)。 

1.3.2 微觀形貌 

根據(jù)油管斷裂的特點(diǎn),取主斷裂面和縱向裂紋 斷面進(jìn)行微觀形貌分析。主斷裂面和縱向裂紋斷面 微觀形貌基本相同,主要為氫脆準(zhǔn)解理+韌窩+空 洞+二次裂紋。主斷裂面較粗糙,其裂紋擴(kuò)展區(qū)的 微觀形貌在低倍下呈人字形花樣[1],在高倍下為氫 脆準(zhǔn)解理+韌窩+二次裂紋;內(nèi)壁表面可見(jiàn)腐蝕坑 和坑底 裂 紋,裂 紋 尖 端 有 剪 切 韌 窩[2][見(jiàn) 圖 3a), 3b)]。縱向裂紋斷面的微觀形貌在低倍下呈放射 狀,在高倍下為氫脆準(zhǔn)解理+空洞+沿晶二次裂紋 +少量韌窩;其裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌為韌窩+氫 脆準(zhǔn)解理+二次裂紋[見(jiàn)圖3c),3d)]。

1.4 金相檢驗(yàn) 

對(duì)斷裂油管進(jìn)行金相檢驗(yàn)。斷口剖面處顯微組 織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體,呈沿軸向分布 的帶狀組織特征,非金屬夾雜物等級(jí)為 A1.5,B0.5 [見(jiàn)圖4a),4c)]。在外壁表面存在氫鼓泡,同時(shí)觀 察氫鼓泡處產(chǎn)生的裂紋,裂紋擴(kuò)展尖端呈臺(tái)階串接 的特點(diǎn)[見(jiàn)圖4b)]。由斷口剖面微觀形貌可知,裂 紋擴(kuò)展區(qū)呈穿晶和沿晶的混合特征,內(nèi)、外壁的腐蝕 坑和機(jī)械損傷是裂紋源區(qū),在裂紋中和裂紋周圍存 在較多的非金屬夾雜物。在主斷面上可以觀察到已 擴(kuò)展較深的二次裂紋,二次裂紋和內(nèi)、外壁裂紋的擴(kuò) 展形態(tài)相同[見(jiàn)圖4d)]。 

1.5 能譜分析 

取油管內(nèi)垢物和斷口表面附著物進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物 的 X射線能譜(EDS)分析。表2為 EDS分析結(jié)果, 結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要含有氧、鎂、鋁、硅、硫、氯、 鉀、鈣、鐵等元素,其中硫元素含量較高。

1.6 硬度測(cè)試 

在油管橫截面上劃分的 4 個(gè)象限區(qū)域內(nèi)的外 部、中部和內(nèi)部分別進(jìn)行硬度測(cè)試,同時(shí)還在油管外 壁表面以及表面機(jī)械損傷部位進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果 如表3所示。

硬度測(cè)試結(jié)果表明,油管沿厚度方向中心部位 的硬度明顯高于內(nèi)、外壁的;油管表面機(jī)械損傷部位 的硬度明顯高于表面正常部位的。

2 綜合分析

 斷裂油管的顯微組織為回火索氏體+鐵素體+ 貝氏體,存在帶狀組織[3]和非金屬夾雜物,反映了該 油管經(jīng)過(guò)了淬火+回火,符合SY/T6194—2003中 對(duì) N80Q 級(jí)油管熱處理的要求。顯微組織中觀察到 氫鼓泡和二次裂紋[4-5],裂紋尖端呈氫致開(kāi)裂特征。 油管斷裂宏觀上呈脆性斷裂特征[6-7],微觀上呈典型 的氫致開(kāi)裂特征。油管斷裂是濕 H2S+CO2 引起 的硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)[8-9]。 

SSCC在工程上是一種常見(jiàn)的破壞現(xiàn)象,其開(kāi) 裂的特點(diǎn)是陰極充氫導(dǎo)致氫脆裂紋?？砂l(fā)生 SSCC 的材料包括低碳鋼、低合金鋼、高強(qiáng)鋼、不銹鋼等,開(kāi) 裂傾向隨材料的強(qiáng)度升高而增加。在濕 H2S介質(zhì) 中,材料抗 SSCC 能力受溫度、H2S濃度、介質(zhì) pH 值、應(yīng)力大小[10-11]及分布狀態(tài)、材料化學(xué)成分和組 織形態(tài)、金屬焊接質(zhì)量和表面質(zhì)量、熱處理狀態(tài)等多 種因素的影響。

從介質(zhì)因素方面來(lái)說(shuō),濕 H2S是低合金鋼發(fā)生 SSCC的敏感介質(zhì)。該斷裂油管工作介質(zhì)為油、氣 和水,介質(zhì)中含有 CaCl2,CO2,H2S;EDS分析結(jié)果 顯示,腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量較高。由于水和 CO2 的存在,介質(zhì)呈酸性,產(chǎn)生 H + 去極化腐蝕,而介質(zhì) 中 H2S的存 在 阻 止 了 腐 蝕 反 應(yīng) 生 成 的 H 原 子 向 H2 轉(zhuǎn)變,使 H 原子向材料內(nèi)部擴(kuò)散,造成材料產(chǎn)生 陰極充氫,形成氫鼓泡和氫致開(kāi)裂。濕 H2S引起的 開(kāi)裂包括SSCC、氫致開(kāi)裂(HIC)、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi) 裂(SOHIC)及氫鼓泡(HB),其破壞敏感度隨 H2S 濃度的增加而增加,在飽和濕 H2S中達(dá)最大值。

 從材料化學(xué)成分和顯微組織形態(tài)方面來(lái)說(shuō),鋼 中影響 H2S腐蝕的主要化學(xué)元素是錳和硫,錳元素 易使設(shè)備在焊接過(guò)程中產(chǎn)生馬氏體和貝氏體,這些 高強(qiáng)度、低韌性的顯微組織表現(xiàn)出較高硬度,這對(duì)設(shè) 備抗SSCC極為不利;硫元素則在鋼中形成 MnS, FeS等非金屬夾雜物,使局部顯微組織疏松,在濕 H2S環(huán)境下易誘發(fā) HIC,SOHIC和 HB。觀察斷裂 油管的顯微組織發(fā)現(xiàn),在裂紋中和裂紋的周圍存在 較多的非金屬夾雜物,表明非金屬夾雜物對(duì)誘發(fā)濕 H2S環(huán)境下的 HIC 或 SOHIC 有促進(jìn)作用。針對(duì) 斷裂油管中存在帶狀組織的問(wèn)題,張旺峰等[12]的研 究結(jié)果表明,材料組織中存在與施加應(yīng)力方向平行 的帶狀組織,可以起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用,從而提 高其SSCC抗力。 

材料硬度對(duì) SSCC 敏感性的影響很大,對(duì)于在 濕 H2S 介 質(zhì) 中 使 用 的 材 料,其 硬 度 應(yīng) 控 制 在 22HRC以下。斷裂油管整體硬度偏高,特別是表 面機(jī)械損傷部位的硬度明顯高于周圍正常部位。機(jī) 械損傷造成材料局部硬化和應(yīng)力集中[13-14],對(duì)裂紋 的形成起促進(jìn)作用,使該部位對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂更加 敏感,加速了油管應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論 

油管斷裂是濕 H2S環(huán)境下產(chǎn)生的SSCC。操作介質(zhì)中存在 H2S和 CO2 是油管產(chǎn)生 SSCC 的主要 原因,油管表面工具和卡具引起的機(jī)械損傷造成材 料局部硬化和應(yīng)力集中以及顯微組織中存在非金屬 夾雜物,這些都對(duì)裂紋的形成起到促進(jìn)作用,同時(shí)加 速了油管應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

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