摘 要:某油田進(jìn)行酸化驗(yàn)抽作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一根 P１１０S鋼級(jí)油管沿橫向完全斷裂,通過(guò)宏觀觀察、 化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié) 果表明:該油管斷裂由硫化物應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致,裂紋起始于油管上扣端大鉗夾持區(qū)的咬傷牙痕 內(nèi);工作應(yīng)力和牙痕底部的應(yīng)力集中、含硫腐蝕介質(zhì)及油管強(qiáng)度偏高共同導(dǎo)致該油管發(fā)生了硫化物 應(yīng)力腐蝕開裂.

關(guān)鍵詞:油管;斷裂;硫化物;應(yīng)力腐蝕開裂;牙痕

中圖分類號(hào):TG１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８３３Ｇ０４

油管在油氣田服役應(yīng)用過(guò)程中,不僅要承受來(lái) 自內(nèi)部及外部的復(fù)雜應(yīng)力載荷,同時(shí)還受到作業(yè)環(huán) 境中多種腐蝕介質(zhì)的腐蝕,服役條件極為惡劣[１]. 在復(fù)雜工況的綜合作用下,油管失效案例頻發(fā)[２Ｇ３], 嚴(yán)重影響了油氣田的正常生產(chǎn),不但導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì) 損失,同時(shí)也造成了不同程度的環(huán)境污染.某油田 進(jìn)行酸化驗(yàn)抽作業(yè)時(shí),發(fā)現(xiàn)井口向下第１４根油管沿 橫向完全斷裂,給該井的正常生產(chǎn)造成了極大影響. 筆者通過(guò)一系列的理化檢驗(yàn)對(duì)該油管斷裂原因進(jìn)行 了分析,旨在預(yù)防此類事故的再次發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀觀察

斷裂油管的規(guī)格為?８８．９mm×６．４５mm,鋼級(jí) 為 P１１０S 鋼,供 貨 協(xié) 議 為 «?８８．９ mm×６．４５ mm １１０SEU 油管訂貨補(bǔ)充技術(shù)協(xié)議».該油管服役油 井產(chǎn)出的 水 為 典 型 氯 化 鈣 水 型,氯 離 子 含 量 高 達(dá) ５０９００mg??L－１;產(chǎn) 出 的 氣 中 硫 化 氫 含 量 高 達(dá) ３５００mg??m －３.由該井工況環(huán)境參數(shù)可以判斷,該 井的流體介質(zhì)對(duì)碳鋼材料具有一定的腐蝕性[４].

該斷裂油管的宏觀形貌如圖１a)所示,可見其 沿橫向完全斷裂,斷面呈深褐色,周圍無(wú)明顯頸縮變 形.斷面分為平坦區(qū)和剪切唇區(qū)兩個(gè)特征區(qū),平坦區(qū)約占斷口１/４圓周,具有脆性開裂特征;剪切唇區(qū) 約占斷口３/４圓周,為管體最終斷裂形成的瞬斷區(qū). 油管斷口平坦區(qū)存在明顯放射狀花樣,匯聚于外表 面?zhèn)鹊陌伎觾?nèi),如圖１b)所示,即為該油管斷口裂紋 源,斷口呈現(xiàn)典型多源開裂特征.斷口裂紋源區(qū)附 近外表面存在明顯的大鉗上扣咬傷牙痕,與斷裂源 區(qū)邊緣所觀察到的凹坑相重合.

１．２ 化學(xué)成分分析

對(duì)油管管體取樣,使用 ARL４４６０型直讀光譜 儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果見表１.可見該油 管化學(xué)成分不符合訂貨補(bǔ)充技術(shù)協(xié)議中對(duì) P１１０S 鋼級(jí)抗硫油管的技術(shù)要求,磷元素含量高于協(xié)議要 求的上限值.

１．３ 金相檢驗(yàn)

從該油管管體及斷口處取金相試樣,對(duì)其進(jìn)行金 相檢驗(yàn),分析其晶粒度及非金屬夾雜物含量,其顯微 組織形貌如圖２~４所示.可見該油管管體及斷口附 近的顯微組織均為回火索氏體,晶粒度９．０級(jí),非金屬夾雜物含量為:A０．５,B０．５,C０,D０．５;斷口剪切唇處 顯微組織具有流線變形特征,為管體斷裂所致.

對(duì)斷口附近牙痕進(jìn)行取樣分析,牙痕及裂紋周 圍顯微組織形貌如圖５所示,該油管外表面牙痕呈 尖銳凹坑狀,坑底為裂紋萌生處,裂紋呈“人”字形路徑擴(kuò)展,該牙痕內(nèi)的顯微組織存在明顯流線變形特 征,坑底裂紋初期沿晶粒流線變形方向擴(kuò)展;裂紋擴(kuò) 展出流線變形組織范圍時(shí)存在明顯拐點(diǎn),其擴(kuò)展中 后期基本沿管體壁厚方向擴(kuò)展,裂紋尖端可見分叉 及沿晶特征,其周圍顯微組織無(wú)變形.

１．４ 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)斷裂油管管體取樣分別進(jìn)行拉伸、夏比沖擊 及硬度試驗(yàn),結(jié)果見表２~４.結(jié)果表明,該油管拉 伸性能不符合訂貨補(bǔ)充技術(shù)協(xié)議對(duì) P１１０S鋼級(jí)抗 硫油管的技術(shù)要求,部分試樣屈服強(qiáng)度高于要求上 限值;該油管沖擊性能符合訂貨補(bǔ)充技術(shù)協(xié)議的技 術(shù)要求.

１．５ 掃描電鏡及能譜分析

在該油管斷口及外表面牙痕裂紋處取樣,經(jīng)醋 酸纖維＋丙酮試劑清洗后,使用掃描電鏡(SEM)及 其附帶的能譜分析儀(EDS)分別對(duì)試樣進(jìn)行微觀形 貌觀察 和 微 區(qū) 成 分 分 析. 該 油 管 裂 紋 源 區(qū) 牙 痕 SEM 形貌如圖６所示,可見二次裂紋沿牙痕底部萌 生,與金相檢驗(yàn)所見牙痕底部裂紋擴(kuò)展形貌相印證.

斷口裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均存在大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋, 裂紋源區(qū)可見沿晶開裂特征,如圖７所示.該油管 斷口能譜分析結(jié)果如圖８所示,可見裂紋源區(qū)除鐵 和氧元素外,還存在少量鈣、錳、硫元素.管體外表 面牙痕內(nèi)能譜分析結(jié)果如圖９所示,可見牙痕內(nèi)仍 存在較高含量的鐵和氧元素,此外硫元素含量高達(dá) ３．５５％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

２ 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,該油管化學(xué)成分及 室溫拉伸性能不符合供貨協(xié)議對(duì) P１１０S鋼級(jí)抗硫 油管的技術(shù)要求,磷元素含量高于要求上限值,部分 試樣的屈服強(qiáng)度高于要求上限值.

斷口宏觀分析表明,該油管斷口周圍無(wú)頸縮變 形特征,斷口分為平坦區(qū)及剪切唇區(qū)兩個(gè)特征區(qū),其 中平坦區(qū)表面存在放射狀花樣,具有典型的脆性開 裂特征,可排除過(guò)載導(dǎo)致管體斷裂的可能性;油管外 表面形貌說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)上扣端大鉗夾持區(qū)域分布大量牙 痕,斷口放射狀花樣匯聚于牙痕內(nèi),由此可確定油管 起裂于管體外表面牙痕.金相分析結(jié)果表明,牙痕 周圍顯微組織具有流線變形特征,裂紋沿尖銳牙痕 底部萌生,裂紋擴(kuò)展初期沿顯微組織流線變形方向 擴(kuò)展,說(shuō)明 牙 痕 對(duì) 裂 紋 的 形 核 及 擴(kuò) 展 造 成 了 明 顯 影響.

斷口微觀分析繩結(jié)果表明,該油管斷面呈沿晶 開裂形貌,且分布有二次裂紋,斷面存在大量腐蝕產(chǎn) 物,符合硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的斷口形貌特征[５Ｇ６]. 能譜分析結(jié)果表明,該油管斷口裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū) 均存在少量導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的硫元素,而牙痕裂 紋內(nèi)存在明顯硫元素富集.將牙痕裂紋機(jī)械打開, 可見裂紋面具有沿晶開裂形貌,并分布有二次裂紋, 與該油管斷口形貌特征相似,說(shuō)明裂紋形成機(jī)理與 油管斷裂機(jī)理相同.

綜合以上斷裂油管的宏、微觀形貌特征及其服 役環(huán)境,可初步推斷該油管斷裂由硫化物應(yīng)力腐蝕 開裂導(dǎo)致,裂紋起始于管體外表面牙痕處.相關(guān)研 究表明,金屬材料或構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需滿足 ３項(xiàng)基本條件,即應(yīng)力腐蝕開裂敏感性、特定的腐蝕 介質(zhì)和一定的拉應(yīng)力[１].結(jié)合此３項(xiàng)基本條件對(duì)該 油管斷裂原因分析如下:

(１)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.硫化氫是普通碳鋼 油管的應(yīng)力腐蝕開裂敏感介質(zhì)[７],相比于普通碳鋼 油管,P１１０S鋼級(jí)抗硫油管具有低的雜質(zhì)元素含量 和低的強(qiáng)度,高的韌性和塑性,以降低其硫化物應(yīng)力 腐蝕開裂敏感性.然而,該斷裂油管磷元素含量偏 高,屈服強(qiáng)度控制范圍較高,僅滿足普通碳鋼油管材 料要求,不滿足良好抗硫化物應(yīng)力腐蝕油管材料要 求,對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕的敏感性較高.

(２)特定的腐蝕介質(zhì).由現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境及井身 結(jié)構(gòu)調(diào)研可知,該斷裂油管服役井產(chǎn)出氣中硫化氫 含量高達(dá)３５００mg??m －３,同時(shí)該井封隔器以上油套 環(huán)空與油管連通,油管外表面存在接觸井下流體介 質(zhì)的可能性.能譜分析結(jié)果表明,該油管斷口及牙 痕裂紋內(nèi)均存在硫元素,說(shuō)明其已受井下含硫腐蝕 介質(zhì)腐蝕,滿 足 發(fā) 生 硫 化 物 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 的 環(huán) 境 條件.

(３)一定的拉應(yīng)力.該斷裂油管靠近井口,其 下部連接多根同規(guī)格油管,需承受相當(dāng)大的軸向拉 伸載荷,同時(shí)該油管外表面牙痕內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集 中,滿足發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的拉應(yīng)力條件.

綜上所述,該油管斷裂由硫化物應(yīng)力腐蝕開裂 導(dǎo)致,裂紋起始于現(xiàn)場(chǎng)上扣端大鉗夾持區(qū)域分布的 咬傷牙痕內(nèi).工作應(yīng)力和牙痕底部的應(yīng)力集中、含 硫腐蝕介質(zhì)、油管強(qiáng)度偏高三者協(xié)同作用導(dǎo)致該油 管發(fā)生了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂.

３ 結(jié)論及建議

該油管斷裂由硫化物應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致,裂紋 起裂于油管上扣端大鉗夾持區(qū)域分布的咬傷牙痕 內(nèi).工作應(yīng)力和牙痕底部的應(yīng)力集中、含硫腐蝕介 質(zhì)及油管強(qiáng)度偏高共同導(dǎo)致了該油管發(fā)生了硫化物 應(yīng)力腐蝕開裂.

建議嚴(yán)格控制原料鋼中磷元素的含量,適當(dāng)降 低材料強(qiáng)度,規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)操作避免鉗牙咬傷油管管體, 并加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢查.

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