摘 要:在某油田下井作业时,一支 N80-1钢加厚油管在加厚部位突然断裂。通过几何尺寸测 量、宏观分析、力学性能试验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该油管加厚部位断裂的原因。结 果表明:油管加厚部位断裂为低应力脆断,主要原因是管坯铸造缺陷改变了油管内部应力状态和应 力分布;加厚油管的拉伸性能和管体外径均不满足标准要求、加厚部位壁厚不均、管体轧疤缺陷和 环状凹面是该加厚油管断裂的次要原因;在主、次要原因的共同作用下,使得油管在远低于额定最 小破断拉力的重力作用下发生脆性断裂。
关键词:加厚油管;断裂;低应力;铸造缺陷
中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0067-05
API外加厚油管由于管端壁厚的增加,其连接 强度较同规格的非外加厚油管得到了提高,应用也 较为广泛[1]。在某油田油管下井作业过程中,一支 规格为?88.90 mm×6.45 mm 的 N80-1钢加厚油 管坐在井口吊卡上时,管体加厚部位突然发生断裂, 接箍从吊卡上弹出,其下部油管(共计351支)全部 掉入井中,质量约为48.57t。该油管加厚部位管体 额定最小破断拉力(额定最小抗拉强度×公称横截 面积)为1230.9kN,SY/T6417-2016《套管、油管 和钻杆使用性能》标准中规定该规格加厚油管管体 的额定抗拉载荷为921.6kN,该油管断裂时承重约 为加厚部位管体额定最小破断拉力的 39.5%。为 了找出该加厚油管断裂的原因,笔者进行了一系列 检验和分析。
1 理化检验
1.1 几何尺寸测量
根据 APISPEC5CT-2018《油管和套管》标准 要求,对该油管管体和加厚部位的几何尺寸进行测 量,沿管体纵向每50mm 测量一次,测量位置示意 如图1所示。图中b 为加厚过渡区长度;c 为平滑区长度;NL 为接箍长度;a 为标准接箍承载面宽度; Dc 为加厚过渡区起始处管体外径;D 为不加厚部位 管体外径;d 为不加厚部位管体壁厚;Da 为加厚部位 管体外径;Leu 为管端到加厚过渡区结束处长度(加厚 区);La 为管端到加厚过渡区起始处长度;Lb 为管端 到平滑区起始处长度;Q 为镗孔直径;W 为接箍外径。 由表1可见,该油管加厚部位及管体外径均大于标准 要求的上限值,且存在壁厚不均现象。
1.2 宏观分析
如图2所示:加厚油管接箍端断口未发生塑性 变形,断口整体呈脆性断裂特征,除图1a)中的黑色 光亮区(区域Ⅰ)略有凸起之外,其他位置较为平整, 可见人字纹花样,黑色光亮区表面光滑且有光泽,约 占管体横截面积的10%;油管断口黑色光亮区油管 内表面可见明显的纵向裂纹,裂纹延伸至油管端部, 裂纹处可见明显凹槽;油管端部可见凹坑,深度可达 2mm;与黑色光亮区呈90°夹角的分层区(区域Ⅱ) 沿壁厚方向呈分层状,该区域由靠近外壁约2/3壁 厚处的台阶状断面和靠近内壁1/3壁厚的棱状断面 组成,整体呈中间高、两边低的形貌,表面光滑;分层 区油管内表面可见沿管体纵向扩展的裂纹,该裂纹 未贯穿整个壁厚。
采用渗透探伤法对加厚油管接箍端的螺纹部位 进行检测。如图3所示,断口除黑色光亮区延伸出 裂纹外,分层区也可见沿纵向扩展的裂纹,该条裂纹 仅在油管内表面可见,未贯穿整个壁厚。
如图4所示,加厚油管管体端断口的宏观形貌 与接箍端的相似,可见黑色光亮区和分层区。将断 裂加厚油管管体端沿轴向剖开,可见黑色光亮区油 管内表面有舌状轧疤,距离断口约10cm 处可见环 状凹面,应为加厚工艺过程中形成的缺陷。
1.3 化学成分分析
对该加厚油管进行化学成分分析,结果见表2, 可知该加厚油管的化学成分满足 APISPEC5CT2018标准的要求。
1.4 力学性能试验
1.4.1 拉伸试验
分别从该加厚油管的加厚部位和管体截取尺寸 为?5mm×25mm 的棒状拉伸试样(分别记为加厚区棒样和管体棒样),另在管体位置处截取尺寸为 19mm×50.8mm 的板状拉伸试样(记为管体板样), 对其进行拉伸试验。由表3可见,仅加厚区棒样的拉 伸性能满足 APISPEC5CT-2018标准要求。
1.4.2 冲击试验
从加厚油管的加厚部位和管体截取试样,进行 纵向夏比 V 型缺口冲击试验,加厚部位冲击试样尺 寸为10mm×7.5mm×55mm(3/4尺寸试样),管 体冲击试样尺寸为10mm×5mm×55mm(1/2尺 寸试样),试验温度均为0℃,试验结果如表4所示, 可见该加厚油管的冲击性能符合 APISPEC5CT2018标准要求。
1.5 扫描电镜及能谱分析
对加厚油管接箍端断口的黑色光亮区、分层区 及管体端轧疤缺陷进行扫描电镜和能谱分析。如图 5所示:黑色光亮区域由发黑区和哑光区组成,其中 哑光区呈典型的脆性断裂特征,可见河流状花样,夹 杂物较多;发黑区较为平整,未见夹杂物等缺陷。如 图6和图7所示,油管接箍端断口处裂纹沿管体纵 向扩展至管端部,且油管内表面裂纹附近有大量夹 杂物,能谱分析结果表明,该处夹杂物种类较多,除 碳、氧、硅、锰元素以外,还有磷、硫、铝、钛等元素,夹 杂物是在管坯冶炼过程中形成的。
在加厚油管接箍端断口分层区截取纵向试样, 进行扫描电镜和能谱分析。如图8所示,夹层两边 组织不连续,存在裂纹,裂纹中间可见含氧、硅、锰元 素的夹杂物,该夹杂物是在铸坯冶炼过程中产生的。
在加厚油管管体端舌状轧疤处截取纵向试样, 进行扫描电镜和能谱分析。如图9所示:轧疤处裂 纹起始位置检测到氧、硅、锰元素,裂纹末端两侧金 属已经结合,部分金属与基体结合不连续,仍可见孔 洞;对裂纹起始位置进行碳元素分析,裂纹处未出现 脱碳现象,说明该裂纹不是在铸造过程中形成的,而 是铸坯中存在的铸造缺陷导致轧制时金属流动性差 而产生的轧疤缺陷,轧疤缺陷不是造成此次事故的 主要原因。
加厚油管管体端内表面环状凹面应为加厚过 程中产生的[2-4]。一般情况下,环状凹面的形成与 加热温度和 加 热 时 间 有 关,加 热 温 度 越 低 或 加 热 时间越短,金属的流动性就越差,金属不能完全聚 集、变形,而 产 生 环 状 凹 面。综 上 所 述,环 状 凹 面 为加厚过程 中 产 生 的,不 是 造 成 此 次 断 裂 事 故 的 直接原因。
2 分析与讨论
结构件发生低应力脆断时,不会出现明显的塑 性变形,断口呈脆性断裂特征,断口无结晶状形貌, 结构件中的宏观裂纹缺陷是导致低应力脆断的主要 原因。裂纹会破坏材料的连续性,改变材料内部的 应力状态和应力分布,使结构件在应力水平较低或 低于材料屈服强度情况下发生断裂。该油管断裂时 承重约为加厚部位管体额定最小破断拉力的 39. 5%,加厚部位早期断裂为低应力脆断,断口平齐,呈 脆性断口特征,断口处裂纹内存在大量的夹杂物,裂 纹贯穿壁厚,且该油管中存在严重的铸造缺陷。综 上所述,铸造缺陷导致的低应力脆断是该加厚油管 断裂的主要原因。
加厚油管的拉伸性能和管体外径均不满足标准 要求、管体加厚部位壁厚不均、管体轧疤缺陷和环状 凹面是该加厚油管断裂的次要因素。
3 结论
该油管加厚部位异常断裂的主要原因是管坯铸 造缺陷改变了油管内部应力状态和应力分布,加厚 油管的拉伸性能和管体外径均不满足标准要求、管 体加厚部位壁厚不均、管体轧疤缺陷和环状凹面是 该加厚油管失效的次要原因。在主、次要原因的共 同作用下,使油管在远低于最小破断拉力的重力作 用下发生脆性断裂。
参考文献:
[1] 谢建雷,闫泓,李真,等.N80加厚油管过渡区断裂原 因分析[J].石油工业技术监督,2019,35(3):49-51.
[2] 吕永鹏,胡德英,冯秦军,等.外加厚油管加厚端常见 缺陷及预防措施[J].焊管,2016,39(11):64-68.
[3] 曹妍,张国祥,赵强,等.外加厚油管加厚端常见质量 缺陷及分析[J].钢管,2015,44(1):51-53.
[4] 王国正,张朋举,赵杨民,等.N80-1外加厚油管一次 成形加厚端性能分析[J].钢管,2011,40(4):6-9.