摘 要:某油田进行酸化验抽作业时发现一根 P１１０S钢级油管沿横向完全断裂,通过宏观观察、 化学成分分析、金相检验、力学性能试验、扫描电镜及能谱分析等方法对断裂原因进行了分析.结 果表明:该油管断裂由硫化物应力腐蚀开裂导致,裂纹起始于油管上扣端大钳夹持区的咬伤牙痕 内;工作应力和牙痕底部的应力集中、含硫腐蚀介质及油管强度偏高共同导致该油管发生了硫化物 应力腐蚀开裂.
关键词:油管;断裂;硫化物;应力腐蚀开裂;牙痕
中图分类号:TG１７２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８３３Ｇ０４
油管在油气田服役应用过程中,不仅要承受来 自内部及外部的复杂应力载荷,同时还受到作业环 境中多种腐蚀介质的腐蚀,服役条件极为恶劣[１]. 在复杂工况的综合作用下,油管失效案例频发[２Ｇ３], 严重影响了油气田的正常生产,不但导致重大经济 损失,同时也造成了不同程度的环境污染.某油田 进行酸化验抽作业时,发现井口向下第１４根油管沿 横向完全断裂,给该井的正常生产造成了极大影响. 笔者通过一系列的理化检验对该油管断裂原因进行 了分析,旨在预防此类事故的再次发生.
１ 理化检验
１．１ 宏观观察
断裂油管的规格为?８８．９mm×６．４５mm,钢级 为 P１１０S 钢,供 货 协 议 为 «?８８．９ mm×６．４５ mm １１０SEU 油管订货补充技术协议».该油管服役油 井产出的 水 为 典 型 氯 化 钙 水 型,氯 离 子 含 量 高 达 ５０９００mg??L－１;产 出 的 气 中 硫 化 氢 含 量 高 达 ３５００mg??m －３.由该井工况环境参数可以判断,该 井的流体介质对碳钢材料具有一定的腐蚀性[４].
该断裂油管的宏观形貌如图１a)所示,可见其 沿横向完全断裂,断面呈深褐色,周围无明显颈缩变 形.断面分为平坦区和剪切唇区两个特征区,平坦区约占断口１/４圆周,具有脆性开裂特征;剪切唇区 约占断口３/４圆周,为管体最终断裂形成的瞬断区. 油管断口平坦区存在明显放射状花样,汇聚于外表 面侧的凹坑内,如图１b)所示,即为该油管断口裂纹 源,断口呈现典型多源开裂特征.断口裂纹源区附 近外表面存在明显的大钳上扣咬伤牙痕,与断裂源 区边缘所观察到的凹坑相重合.
１．２ 化学成分分析
对油管管体取样,使用 ARL４４６０型直读光谱 仪对其化学成分进行分析,结果见表１.可见该油 管化学成分不符合订货补充技术协议中对 P１１０S 钢级抗硫油管的技术要求,磷元素含量高于协议要 求的上限值.
１．３ 金相检验
从该油管管体及断口处取金相试样,对其进行金 相检验,分析其晶粒度及非金属夹杂物含量,其显微 组织形貌如图２~４所示.可见该油管管体及断口附 近的显微组织均为回火索氏体,晶粒度９．０级,非金属夹杂物含量为:A０．５,B０．５,C０,D０．５;断口剪切唇处 显微组织具有流线变形特征,为管体断裂所致.
对断口附近牙痕进行取样分析,牙痕及裂纹周 围显微组织形貌如图５所示,该油管外表面牙痕呈 尖锐凹坑状,坑底为裂纹萌生处,裂纹呈“人”字形路径扩展,该牙痕内的显微组织存在明显流线变形特 征,坑底裂纹初期沿晶粒流线变形方向扩展;裂纹扩 展出流线变形组织范围时存在明显拐点,其扩展中 后期基本沿管体壁厚方向扩展,裂纹尖端可见分叉 及沿晶特征,其周围显微组织无变形.
１．４ 力学性能试验
对断裂油管管体取样分别进行拉伸、夏比冲击 及硬度试验,结果见表２~４.结果表明,该油管拉 伸性能不符合订货补充技术协议对 P１１０S钢级抗 硫油管的技术要求,部分试样屈服强度高于要求上 限值;该油管冲击性能符合订货补充技术协议的技 术要求.
１．５ 扫描电镜及能谱分析
在该油管断口及外表面牙痕裂纹处取样,经醋 酸纤维＋丙酮试剂清洗后,使用扫描电镜(SEM)及 其附带的能谱分析仪(EDS)分别对试样进行微观形 貌观察 和 微 区 成 分 分 析. 该 油 管 裂 纹 源 区 牙 痕 SEM 形貌如图６所示,可见二次裂纹沿牙痕底部萌 生,与金相检验所见牙痕底部裂纹扩展形貌相印证.
断口裂纹源区及扩展区均存在大量腐蚀产物覆盖, 裂纹源区可见沿晶开裂特征,如图７所示.该油管 断口能谱分析结果如图８所示,可见裂纹源区除铁 和氧元素外,还存在少量钙、锰、硫元素.管体外表 面牙痕内能谱分析结果如图９所示,可见牙痕内仍 存在较高含量的铁和氧元素,此外硫元素含量高达 ３．５５％(质量分数).
２ 分析与讨论
由上述理化检验结果可知,该油管化学成分及 室温拉伸性能不符合供货协议对 P１１０S钢级抗硫 油管的技术要求,磷元素含量高于要求上限值,部分 试样的屈服强度高于要求上限值.
断口宏观分析表明,该油管断口周围无颈缩变 形特征,断口分为平坦区及剪切唇区两个特征区,其 中平坦区表面存在放射状花样,具有典型的脆性开 裂特征,可排除过载导致管体断裂的可能性;油管外 表面形貌说明现场上扣端大钳夹持区域分布大量牙 痕,断口放射状花样汇聚于牙痕内,由此可确定油管 起裂于管体外表面牙痕.金相分析结果表明,牙痕 周围显微组织具有流线变形特征,裂纹沿尖锐牙痕 底部萌生,裂纹扩展初期沿显微组织流线变形方向 扩展,说明 牙 痕 对 裂 纹 的 形 核 及 扩 展 造 成 了 明 显 影响.
断口微观分析绳结果表明,该油管断面呈沿晶 开裂形貌,且分布有二次裂纹,断面存在大量腐蚀产 物,符合硫化物应力腐蚀开裂的断口形貌特征[５Ｇ６]. 能谱分析结果表明,该油管断口裂纹源区及扩展区 均存在少量导致应力腐蚀开裂的硫元素,而牙痕裂 纹内存在明显硫元素富集.将牙痕裂纹机械打开, 可见裂纹面具有沿晶开裂形貌,并分布有二次裂纹, 与该油管断口形貌特征相似,说明裂纹形成机理与 油管断裂机理相同.
综合以上断裂油管的宏、微观形貌特征及其服 役环境,可初步推断该油管断裂由硫化物应力腐蚀 开裂导致,裂纹起始于管体外表面牙痕处.相关研 究表明,金属材料或构件发生应力腐蚀开裂需满足 ３项基本条件,即应力腐蚀开裂敏感性、特定的腐蚀 介质和一定的拉应力[１].结合此３项基本条件对该 油管断裂原因分析如下:
(１)应力腐蚀开裂敏感性.硫化氢是普通碳钢 油管的应力腐蚀开裂敏感介质[７],相比于普通碳钢 油管,P１１０S钢级抗硫油管具有低的杂质元素含量 和低的强度,高的韧性和塑性,以降低其硫化物应力 腐蚀开裂敏感性.然而,该断裂油管磷元素含量偏 高,屈服强度控制范围较高,仅满足普通碳钢油管材 料要求,不满足良好抗硫化物应力腐蚀油管材料要 求,对硫化物应力腐蚀的敏感性较高.
(２)特定的腐蚀介质.由现场工况环境及井身 结构调研可知,该断裂油管服役井产出气中硫化氢 含量高达３５００mg??m －３,同时该井封隔器以上油套 环空与油管连通,油管外表面存在接触井下流体介 质的可能性.能谱分析结果表明,该油管断口及牙 痕裂纹内均存在硫元素,说明其已受井下含硫腐蚀 介质腐蚀,满 足 发 生 硫 化 物 应 力 腐 蚀 开 裂 的 环 境 条件.
(３)一定的拉应力.该断裂油管靠近井口,其 下部连接多根同规格油管,需承受相当大的轴向拉 伸载荷,同时该油管外表面牙痕内产生严重应力集 中,满足发生硫化物应力腐蚀开裂的拉应力条件.
综上所述,该油管断裂由硫化物应力腐蚀开裂 导致,裂纹起始于现场上扣端大钳夹持区域分布的 咬伤牙痕内.工作应力和牙痕底部的应力集中、含 硫腐蚀介质、油管强度偏高三者协同作用导致该油 管发生了硫化物应力腐蚀开裂.
３ 结论及建议
该油管断裂由硫化物应力腐蚀开裂导致,裂纹 起裂于油管上扣端大钳夹持区域分布的咬伤牙痕 内.工作应力和牙痕底部的应力集中、含硫腐蚀介 质及油管强度偏高共同导致了该油管发生了硫化物 应力腐蚀开裂.
建议严格控制原料钢中磷元素的含量,适当降 低材料强度,规范现场操作避免钳牙咬伤油管管体, 并加强质量检验和现场检查.
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文章来源——材料与测试网