高含硫井放空短節(jié)爆管原因分析

李循跡，王宏軍，陳東風(fēng)，王福善，何新興，常澤亮，蔡 銳

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065） ＊

高含硫井放空短節(jié)爆管原因分析

李循跡1，王宏軍1，陳東風(fēng)1，王福善1，何新興1，常澤亮1，蔡 銳2

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）＊

對(duì)某高含硫井放空短節(jié)爆管原因進(jìn)行了調(diào)查研究，分析了短節(jié)爆管形貌，對(duì)爆管短節(jié)材質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)類似短節(jié)材質(zhì)和庫(kù)存?zhèn)淞喜馁|(zhì)等進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)查研究和試驗(yàn)對(duì)比分析，認(rèn)為爆管是高含H2S環(huán)境下管材的氫致開(kāi)裂，材料用錯(cuò)和硬度超標(biāo)是爆管主要原因。

高含硫井；放空短節(jié)；爆管；選材

2011－08－29，某氣田第一處理廠主控室顯示某井H2S含量檢測(cè)超高報(bào)警，同時(shí)ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)遠(yuǎn)程關(guān)井，啟動(dòng)站外集氣支線（單井）刺漏應(yīng)急預(yù)案。值班巡井工佩戴正壓呼吸器到井場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)井口一級(jí)節(jié)流后安全閥放空管線泄壓短節(jié)發(fā)生爆管，管線撕裂長(zhǎng)度約22cm。

1 初步分析

放空短節(jié)爆管事件發(fā)生后，使用單位對(duì)事件原因進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為主要原因是爆管短節(jié)為盲腸段，短節(jié)尺寸33.7mm×5.6mm，端部閥門質(zhì)量18.6kg，懸空無(wú)支撐，拉力過(guò)大，導(dǎo)致短節(jié)破壞性撕裂。

對(duì)此，塔里木油田分公司組織相關(guān)專家進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和討論分析，從放空短節(jié)爆管形貌和設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝、運(yùn)行等環(huán)節(jié)的資料、數(shù)據(jù)、記錄情況看，認(rèn)為支撐問(wèn)題不是爆管的主要原因，主要原因有2點(diǎn)：①放空短節(jié)管材本身產(chǎn)品質(zhì)量不合格；②放空短節(jié)用材錯(cuò)誤。因此，有待實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)專業(yè)部門檢測(cè)分析后，最終確認(rèn)爆管事件原因。

隨后委托某專業(yè)部門進(jìn)行取樣及化驗(yàn)分析，共取樣3處：一處為現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生爆裂的失效管樣，如圖1所示；一處為該井現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生失效的管樣2根；一處為庫(kù)存尚未使用的同規(guī)格的管材抽取4根，各裁1m長(zhǎng)管樣。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)失效管樣

2 失效管樣形貌

2.1 宏觀形貌

將失效管樣兩端的焊接部位鋸除后，管樣自然形成了5片。對(duì)試樣的內(nèi)、外壁及斷口進(jìn)行了宏觀形貌觀察，如圖2～3所示。結(jié)果表明：管樣外壁基本無(wú)腐蝕，而內(nèi)壁存在輕微的均勻腐蝕，并可觀察到腐蝕產(chǎn)物；管樣屬縱向開(kāi)裂，斷口平整，無(wú)塑性變形；斷口基本獨(dú)立形成，多處呈階梯狀。斷口屬多源起裂，且基本源于內(nèi)表面。

圖2 失效管樣內(nèi)壁宏觀形貌

圖3 失效管樣斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

采用掃描電鏡對(duì)失效管樣斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。結(jié)果表明：斷口呈明顯的沿晶斷裂形貌，局部可觀察到放射線花樣或雞爪狀紋路，如圖4所示。

圖4 斷口沿晶斷裂形貌（酸洗后）

2.3 內(nèi)壁微觀形貌

對(duì)失效管樣內(nèi)壁進(jìn)行微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)：管樣內(nèi)壁存在微裂紋，局部可觀察到明顯的沿晶裂紋，如圖5～6所示。

圖5 失效管樣內(nèi)壁裂紋

圖6 失效管樣內(nèi)壁沿晶微裂紋

3 材質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物分析

3.1 化學(xué)成分

依據(jù)GB／T 4336—2002標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL 4460型直讀光譜儀，分別對(duì)失效管樣、未失效管樣、庫(kù)存管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明：失效管樣、未失效管樣的C、P、S三種元素含量不符合GB／T 9711.3—2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L245NCS材質(zhì)化學(xué)成分的要求，庫(kù)房管樣的化學(xué)成分符合GB／T 9711.3—2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)L245NCS材質(zhì)化學(xué)成分的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果wB%

3.2 金相組織

依據(jù)GB／T 13298—91、GB／T 6394—2002、GB／T 10561—2005分別對(duì)失效管樣、未失效管樣和庫(kù)存管樣進(jìn)行金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表2及圖7～9所示。分析結(jié)果表明，失效管樣和未失效管樣的晶粒明顯粗于庫(kù)存管樣。

表2 金相組織分析結(jié)果

圖7 失效管樣金相組織

圖8 未失效管樣金相組織

圖9 庫(kù)存管樣金相組織

3.3 拉伸性能

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 228—2002，采用UH－F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)庫(kù)存管樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，試樣的拉伸性能符合GB／T 9711.3—2005標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 腐蝕產(chǎn)物分析

采用EDS對(duì)失效管樣內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，結(jié)果如圖12所示。采用XRD對(duì)失效管樣內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖13所示。分析結(jié)果表明，失效管樣內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe7S8。

圖10 內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物EDS圖譜

圖11 內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜

3.5 硬度測(cè)試

依據(jù)GB／T 4340選擇8個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別對(duì)失效管樣、未失效管樣和庫(kù)存管樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。分析結(jié)果表明：失效管樣和未失效管樣的維氏硬度均遠(yuǎn)大于庫(kù)存管樣的硬度值，且不滿足設(shè)計(jì)要求的硬度檢測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)。庫(kù)存管樣的維氏硬度值滿足設(shè)計(jì)要求的硬度檢測(cè)值 標(biāo)準(zhǔn)。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果

4 爆管原因分析［1－4］

4.1 爆管特征

1） 管樣為縱向開(kāi)裂，斷口平整，無(wú)塑性變形，各個(gè)斷口相互獨(dú)立，多處呈階梯狀，屬多源起裂，且基本起源于內(nèi)表面。

2） 斷口呈明顯的沿晶斷裂形貌，局部可觀察到放射線花樣或雞爪狀紋路。

3） 管樣內(nèi)壁及內(nèi)表面存在多處裂紋，主裂紋呈臺(tái)階狀，主裂紋旁有細(xì)小二次裂紋，裂紋主要呈沿晶特征。

4） 管樣外壁基本無(wú)腐蝕，而內(nèi)壁存在輕微的均勻腐蝕，并可觀察到腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe7S8。

4.2 爆管失效機(jī)理

該井爆管管段輸送的是未經(jīng)凈化的含H2S的濕天然氣，且H2S含量高達(dá)7 100mg／m3。非酸性環(huán)境下用的碳鋼管材在濕H2S環(huán)境中容易發(fā)生氫致開(kāi)裂，形成直線狀裂紋、階梯狀裂紋等。H2S溶于水中后會(huì)發(fā)生電離，并與鋼材作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。HS－和S2－極易吸附在鐵的表面，從而阻止陰極去極化作用產(chǎn)生的原子氫結(jié)合為分子氫，導(dǎo)致大量的原子氫進(jìn)入金屬基體，原子氫總是向高應(yīng)力區(qū)聚集，降低了晶格結(jié)合強(qiáng)度和金屬的塑性而脆化。H－和S2－除可使鋼中氫濃度增加外，還可與鐵原子牢固鍵合，使金屬原子間結(jié)合減弱，從而促進(jìn)Fe的陽(yáng)極溶解速度。對(duì)于低強(qiáng)度材料，原子態(tài)氫會(huì)在材料內(nèi)的各種缺陷如第二相、晶界、空穴等處聚合成分子氫；氫的不斷復(fù)合和增加，致使缺陷處形成壓力很高的氫氣區(qū)；高壓使材料產(chǎn)生階梯裂紋或分層，隨著裂紋的擴(kuò)展及貫穿，導(dǎo)致發(fā)生斷裂。

4.3 材質(zhì)環(huán)境適用性

對(duì)失效管樣和未失效管樣的材質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果表明：失效管樣的化學(xué)成分不符合GB／T 9711.3— 2005標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)硬度值約240HV10，該材質(zhì)鋼管無(wú)法滿足設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境要求。

4.4 爆管與懸空閥門的關(guān)系

爆管管段設(shè)計(jì)壓力為25MPa，實(shí)際使用壓力為17.9MPa，規(guī)格33.7mm×5.6mm，總長(zhǎng)25cm；管段一側(cè)與18.6kg的閥門連接，處于懸空無(wú)支撐狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算，在17.9MPa內(nèi)壓作用下，管段的環(huán)向應(yīng)力為53.9MPa，軸向應(yīng)力為27.0MPa；懸空閥門作用在管段上的最大正應(yīng)力約14MPa，最大切應(yīng)力約1.5MPa，懸空閥門的作用可忽略。

5 結(jié)論

1） 爆管的類型為高含H2S環(huán)境下管材的氫致開(kāi)裂。爆管原因是管材的氫致開(kāi)裂造成管段內(nèi)部形成大量裂紋，致使管段承壓、承重能力大幅降低而導(dǎo)致爆裂。

2） 爆管短節(jié)的材質(zhì)非L245NCS，材料用錯(cuò)，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境要求。

3） 爆管短節(jié)的檢測(cè)硬度值超過(guò)設(shè)計(jì)要求，原因是現(xiàn)場(chǎng)熱處理不合格，或用錯(cuò)材料本身硬度值超標(biāo)。

4） 建議對(duì)類似高含硫井放空短節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽查，檢測(cè)硬度和化學(xué)成分（打光譜），對(duì)發(fā)現(xiàn)材料用錯(cuò)、硬度超標(biāo)的，及時(shí)進(jìn)行整改，確保生產(chǎn)安全。

［1］ 李 軒，劉道新，徐子鵬，等.形變與殘余應(yīng)力對(duì)管線鋼氫致開(kāi)裂行為的影響［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（4）：77－82.

［2］ 張 瑟，張國(guó)正，張春婉，等.雙臺(tái)肩鉆桿接頭開(kāi)裂失效分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：71－77.

［3］ 趙雪會(huì)，胡志兵，白真權(quán)，等.不銹鋼在含氫介質(zhì)條件下的脆性變化分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（8）：41－46.

［4］ 劉 利，劉道新，鮮 寧，等.取樣方法對(duì)管線鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為影響的研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（1）：51－55.

Analyses of Vent Short Piping Burst in High Sulfur Content Well

LI Xun－ji1，WANG Hong－jun1，CHEN Dong－feng1，WANG Fu－shan1，HE Xin－xing1，CHANG Ze－liang1，CAI Rui2
（1.Petrochina Tarim Oilfield Company，Korla841000，China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an710065，China）

The short section of pipe explosion’s causes of high sulfur content well was investigated.The burst short section of piping’s appearance was analyzed，and the burst short section of piping’s material，test material of the similar short section and the short section on storeroom were tested.Through the investigation and test comparison and analysis，it was believed that the high hydrogen sulfide environment cause pipe’s hydrogen induced cracking.The material errors and excessive weld hardness is the main reason.

high sulfur content well；vent short piping；pipe burst；material selection

1001－3482（2012）07－0070－04

TE931.2

A

2012－01－12

李循跡（1961－），男，山東文登人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事石油機(jī)械裝備管理工作，E－mail：lixunji＿cn＠sina.com.cn。