摘 要:某油管自墩粗端,距管端頭螺紋約211 mm 處發(fā)生斷裂。通過宏觀觀察、化學成分分 析、斷口分析、金相檢驗等方法對油管斷裂原因進行了分析。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械損傷產(chǎn)生局部硬化和應 力集中,使油管在濕 H2S環(huán)境下產(chǎn)生了應力腐蝕開裂。
關鍵詞:油管;斷裂;硫化氫;應力腐蝕開裂;夾雜物
中圖分類號:TE931 文獻標志碼:B 文章編號: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行一系列理化檢驗和分析。
1 理化檢驗
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,斷裂部位實測外徑為74.9mm。 管內(nèi)、外存在油污,外壁存在機械損傷,呈有規(guī)律排 列的油管鉗夾持痕跡和凹坑。剖開油管后可見內(nèi)壁 表面存在腐蝕坑,斷裂面垂直于油管縱向,較平齊。 油管沒有發(fā)生明顯變形,在斷裂面上同時可見平行 斷面的環(huán)向裂紋和垂直斷面的二次裂紋(見圖1)。
1.2 化學成分分析
在斷裂油管上取樣并進行化學成分分析,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 鋼級所有油管中的硫、磷元素質(zhì)量分數(shù)應 不大于0.030%,其他化學元素含量未作規(guī)定,油管 以能達到相應的力學性能為準。
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,清洗后可見人字形花樣,斷裂面
的壁厚無明顯減薄,無宏觀塑性變形,無剪切唇。斷
裂源呈多源特征,外壁裂紋源于機械損傷,內(nèi)壁裂紋
源于腐蝕坑(見圖2)。
1.3.2 微觀形貌
根據(jù)油管斷裂的特點,取主斷裂面和縱向裂紋
斷面進行微觀形貌分析。主斷裂面和縱向裂紋斷面
微觀形貌基本相同,主要為氫脆準解理+韌窩+空
洞+二次裂紋。主斷裂面較粗糙,其裂紋擴展區(qū)的
微觀形貌在低倍下呈人字形花樣[1],在高倍下為氫
脆準解理+韌窩+二次裂紋;內(nèi)壁表面可見腐蝕坑
和坑底 裂 紋,裂 紋 尖 端 有 剪 切 韌 窩[2][見 圖 3a),
3b)]?？v向裂紋斷面的微觀形貌在低倍下呈放射
狀,在高倍下為氫脆準解理+空洞+沿晶二次裂紋
+少量韌窩;其裂紋擴展區(qū)的微觀形貌為韌窩+氫
脆準解理+二次裂紋[見圖3c),3d)]。
1.4 金相檢驗
對斷裂油管進行金相檢驗。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,非金屬夾雜物等級為 A1.5,B0.5
[見圖4a),4c)]。在外壁表面存在氫鼓泡,同時觀
察氫鼓泡處產(chǎn)生的裂紋,裂紋擴展尖端呈臺階串接
的特點[見圖4b)]。由斷口剖面微觀形貌可知,裂
紋擴展區(qū)呈穿晶和沿晶的混合特征,內(nèi)、外壁的腐蝕
坑和機械損傷是裂紋源區(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
擴展較深的二次裂紋,二次裂紋和內(nèi)、外壁裂紋的擴
展形態(tài)相同[見圖4d)]。
1.5 能譜分析
取油管內(nèi)垢物和斷口表面附著物進行腐蝕產(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 硬度測試
在油管橫截面上劃分的 4 個象限區(qū)域內(nèi)的外
部、中部和內(nèi)部分別進行硬度測試,同時還在油管外
壁表面以及表面機械損傷部位進行硬度測試,結(jié)果
如表3所示。
硬度測試結(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)過了淬火+回火,符合SY/T6194—2003中 對 N80Q 級油管熱處理的要求。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 的氫致開裂特征。油管斷裂是濕 H2S+CO2 引起 的硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)[8-9]。
SSCC在工程上是一種常見的破壞現(xiàn)象,其開
裂的特點是陰極充氫導致氫脆裂紋?？砂l(fā)生 SSCC
的材料包括低碳鋼、低合金鋼、高強鋼、不銹鋼等,開
裂傾向隨材料的強度升高而增加。在濕 H2S介質(zhì)
中,材料抗 SSCC 能力受溫度、H2S濃度、介質(zhì) pH
值、應力大小[10-11]及分布狀態(tài)、材料化學成分和組
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)因素方面來說,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 生 成 的 H 原 子 向 H2 轉(zhuǎn)變,使 H 原子向材料內(nèi)部擴散,造成材料產(chǎn)生 陰極充氫,形成氫鼓泡和氫致開裂。濕 H2S引起的 開裂包括SSCC、氫致開裂(HIC)、應力導向氫致開 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中達最大值。
從材料化學成分和顯微組織形態(tài)方面來說,鋼 中影響 H2S腐蝕的主要化學元素是錳和硫,錳元素 易使設備在焊接過程中產(chǎn)生馬氏體和貝氏體,這些 高強度、低韌性的顯微組織表現(xiàn)出較高硬度,這對設 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誘發(fā)濕 H2S環(huán)境下的 HIC 或 SOHIC 有促進作用。針對 斷裂油管中存在帶狀組織的問題,張旺峰等[12]的研 究結(jié)果表明,材料組織中存在與施加應力方向平行 的帶狀組織,可以起到阻礙裂紋擴展的作用,從而提 高其SSCC抗力。
材料硬度對 SSCC 敏感性的影響很大,對于在
濕 H2S 介 質(zhì) 中 使 用 的 材 料,其 硬 度 應 控 制 在
22HRC以下。斷裂油管整體硬度偏高,特別是表
面機械損傷部位的硬度明顯高于周圍正常部位。機
械損傷造成材料局部硬化和應力集中[13-14],對裂紋
的形成起促進作用,使該部位對應力腐蝕開裂更加
敏感,加速了油管應力腐蝕裂紋的產(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械損傷造成材 料局部硬化和應力集中以及顯微組織中存在非金屬 夾雜物,這些都對裂紋的形成起到促進作用,同時加 速了油管應力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。
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