摘 要:某油田進行酸化驗抽作業時發現一根 P１１０S鋼級油管沿橫向完全斷裂,通過宏觀觀察、 化學成分分析、金相檢驗、力學性能試驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對斷裂原因進行了分析.結 果表明:該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂導致,裂紋起始于油管上扣端大鉗夾持區的咬傷牙痕 內;工作應力和牙痕底部的應力集中、含硫腐蝕介質及油管強度偏高共同導致該油管發生了硫化物 應力腐蝕開裂.
關鍵詞:油管;斷裂;硫化物;應力腐蝕開裂;牙痕
中圖分類號:TG１７２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８３３Ｇ０４
油管在油氣田服役應用過程中,不僅要承受來 自內部及外部的復雜應力載荷,同時還受到作業環 境中多種腐蝕介質的腐蝕,服役條件極為惡劣[１]. 在復雜工況的綜合作用下,油管失效案例頻發[２Ｇ３], 嚴重影響了油氣田的正常生產,不但導致重大經濟 損失,同時也造成了不同程度的環境污染.某油田 進行酸化驗抽作業時,發現井口向下第１４根油管沿 橫向完全斷裂,給該井的正常生產造成了極大影響. 筆者通過一系列的理化檢驗對該油管斷裂原因進行 了分析,旨在預防此類事故的再次發生.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
斷裂油管的規格為?８８．９mm×６．４５mm,鋼級 為 P１１０S 鋼,供 貨 協 議 為 «?８８．９ mm×６．４５ mm １１０SEU 油管訂貨補充技術協議».該油管服役油 井產出的 水 為 典 型 氯 化 鈣 水 型,氯 離 子 含 量 高 達 ５０９００mg??L－１;產 出 的 氣 中 硫 化 氫 含 量 高 達 ３５００mg??m －３.由該井工況環境參數可以判斷,該 井的流體介質對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,周圍無明顯頸縮變 形.斷面分為平坦區和剪切唇區兩個特征區,平坦區約占斷口１/４圓周,具有脆性開裂特征;剪切唇區 約占斷口３/４圓周,為管體最終斷裂形成的瞬斷區. 油管斷口平坦區存在明顯放射狀花樣,匯聚于外表 面側的凹坑內,如圖１b)所示,即為該油管斷口裂紋 源,斷口呈現典型多源開裂特征.斷口裂紋源區附 近外表面存在明顯的大鉗上扣咬傷牙痕,與斷裂源 區邊緣所觀察到的凹坑相重合.
１．２ 化學成分分析
對油管管體取樣,使用 ARL４４６０型直讀光譜 儀對其化學成分進行分析,結果見表１.可見該油 管化學成分不符合訂貨補充技術協議中對 P１１０S 鋼級抗硫油管的技術要求,磷元素含量高于協議要 求的上限值.
１．３ 金相檢驗
從該油管管體及斷口處取金相試樣,對其進行金 相檢驗,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,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.
對斷口附近牙痕進行取樣分析,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”字形路徑擴展,該牙痕內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展;裂紋擴 展出流線變形組織范圍時存在明顯拐點,其擴展中 后期基本沿管體壁厚方向擴展,裂紋尖端可見分叉 及沿晶特征,其周圍顯微組織無變形.
１．４ 力學性能試驗
對斷裂油管管體取樣分別進行拉伸、夏比沖擊 及硬度試驗,結果見表２~４.結果表明,該油管拉 伸性能不符合訂貨補充技術協議對 P１１０S鋼級抗 硫油管的技術要求,部分試樣屈服強度高于要求上 限值;該油管沖擊性能符合訂貨補充技術協議的技 術要求.
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)分別對試樣進行微觀形 貌觀察 和 微 區 成 分 分 析. 該 油 管 裂 紋 源 區 牙 痕 SEM 形貌如圖６所示,可見二次裂紋沿牙痕底部萌 生,與金相檢驗所見牙痕底部裂紋擴展形貌相印證.
斷口裂紋源區及擴展區均存在大量腐蝕產物覆蓋, 裂紋源區可見沿晶開裂特征,如圖７所示.該油管 斷口能譜分析結果如圖８所示,可見裂紋源區除鐵 和氧元素外,還存在少量鈣、錳、硫元素.管體外表 面牙痕內能譜分析結果如圖９所示,可見牙痕內仍 存在較高含量的鐵和氧元素,此外硫元素含量高達 ３．５５％(質量分數).
２ 分析與討論
由上述理化檢驗結果可知,該油管化學成分及 室溫拉伸性能不符合供貨協議對 P１１０S鋼級抗硫 油管的技術要求,磷元素含量高于要求上限值,部分 試樣的屈服強度高于要求上限值.
斷口宏觀分析表明,該油管斷口周圍無頸縮變 形特征,斷口分為平坦區及剪切唇區兩個特征區,其 中平坦區表面存在放射狀花樣,具有典型的脆性開 裂特征,可排除過載導致管體斷裂的可能性;油管外 表面形貌說明現場上扣端大鉗夾持區域分布大量牙 痕,斷口放射狀花樣匯聚于牙痕內,由此可確定油管 起裂于管體外表面牙痕.金相分析結果表明,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,裂紋擴展初期沿顯微組織流線變形方向 擴展,說明 牙 痕 對 裂 紋 的 形 核 及 擴 展 造 成 了 明 顯 影響.
斷口微觀分析繩結果表明,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 物,符合硫化物應力腐蝕開裂的斷口形貌特征[５Ｇ６]. 能譜分析結果表明,該油管斷口裂紋源區及擴展區 均存在少量導致應力腐蝕開裂的硫元素,而牙痕裂 紋內存在明顯硫元素富集.將牙痕裂紋機械打開, 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,說明裂紋形成機理與 油管斷裂機理相同.
綜合以上斷裂油管的宏、微觀形貌特征及其服 役環境,可初步推斷該油管斷裂由硫化物應力腐蝕 開裂導致,裂紋起始于管體外表面牙痕處.相關研 究表明,金屬材料或構件發生應力腐蝕開裂需滿足 ３項基本條件,即應力腐蝕開裂敏感性、特定的腐蝕 介質和一定的拉應力[１].結合此３項基本條件對該 油管斷裂原因分析如下:
(１)應力腐蝕開裂敏感性.硫化氫是普通碳鋼 油管的應力腐蝕開裂敏感介質[７],相比于普通碳鋼 油管,P１１０S鋼級抗硫油管具有低的雜質元素含量 和低的強度,高的韌性和塑性,以降低其硫化物應力 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力腐蝕油管材料要 求,對硫化物應力腐蝕的敏感性較高.
(２)特定的腐蝕介質.由現場工況環境及井身 結構調研可知,該斷裂油管服役井產出氣中硫化氫 含量高達３５００mg??m －３,同時該井封隔器以上油套 環空與油管連通,油管外表面存在接觸井下流體介 質的可能性.能譜分析結果表明,該油管斷口及牙 痕裂紋內均存在硫元素,說明其已受井下含硫腐蝕 介質腐蝕,滿 足 發 生 硫 化 物 應 力 腐 蝕 開 裂 的 環 境 條件.
(３)一定的拉應力.該斷裂油管靠近井口,其 下部連接多根同規格油管,需承受相當大的軸向拉 伸載荷,同時該油管外表面牙痕內產生嚴重應力集 中,滿足發生硫化物應力腐蝕開裂的拉應力條件.
綜上所述,該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂 導致,裂紋起始于現場上扣端大鉗夾持區域分布的 咬傷牙痕內.工作應力和牙痕底部的應力集中、含 硫腐蝕介質、油管強度偏高三者協同作用導致該油 管發生了硫化物應力腐蝕開裂.
３ 結論及建議
該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂導致,裂紋 起裂于油管上扣端大鉗夾持區域分布的咬傷牙痕 內.工作應力和牙痕底部的應力集中、含硫腐蝕介 質及油管強度偏高共同導致了該油管發生了硫化物 應力腐蝕開裂.
建議嚴格控制原料鋼中磷元素的含量,適當降 低材料強度,規范現場操作避免鉗牙咬傷油管管體, 并加強質量檢驗和現場檢查.
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文章來源——材料與測試網