某油田用油管斷裂失效分析

朱麗霞, 李金鳳, 瞿婷婷, 張 華, 仝 珂

(中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710077)

質(zhì)量控制與失效分析

某油田用油管斷裂失效分析

朱麗霞, 李金鳳, 瞿婷婷, 張 華, 仝 珂

(中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710077)

某油田直井氣井在正常產(chǎn)氣56 d(天)后發(fā)生油管本體斷裂失效。通過宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析，對該油管的失效原因進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：該油管的斷裂性質(zhì)屬于腐蝕疲勞斷裂；外表面脫碳降低了油管的耐腐蝕能力，在服役過程中管材外表面接觸水及空氣的位置發(fā)生氧腐蝕，形成腐蝕坑，腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中成為疲勞裂紋源；在外力作用下疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了油管的斷裂失效。

油管；腐蝕疲勞斷裂；脫碳

用于油氣田的油管，服役過程中要承受來自內(nèi)部及外部的復(fù)雜應(yīng)力載荷，同時還要受到作業(yè)環(huán)境中多種腐蝕介質(zhì)的復(fù)合作用，服役條件極為惡劣[1-2]。近年來，油管失效造成危害的案例頻發(fā)，嚴(yán)重影響了油氣田的正常生產(chǎn)，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失，同時也造成了不同程度的環(huán)境污染。2015年，某油田直井氣井依照作業(yè)程序，在正常產(chǎn)氣56 d(天)后，將之前下入的所有油管提出，更換產(chǎn)氣層。提井時發(fā)現(xiàn)懸重與井內(nèi)管重不符，隨后發(fā)現(xiàn)油管發(fā)生了斷裂失效。筆者進(jìn)行了綜合理化檢驗，結(jié)合現(xiàn)場工況對該油管失效過程及原因進(jìn)行了分析，旨在為油氣井用油管的選材及使用提供技術(shù)參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

失效油管為抗硫化氫腐蝕平端特殊扣油管，規(guī)格為φ73.02 mm×5.51 mm，材料牌號為AG110S，供貨技術(shù)條件為《抗硫化氫腐蝕平端套管、平端油管及接箍坯料供貨技術(shù)協(xié)議》。失效油管的宏觀形貌如圖1所示。該油管所在井為直井氣井，所產(chǎn)氣體含硫，井深3 800 m，共下入395支油管，失效油管為距離井口第72支油管。

圖1 斷裂油管的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fractured oil tube

圖2 油管斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the oil tube

斷裂油管的斷口宏觀形貌如圖2所示，斷口基本平齊，有明顯的“人字紋”特征，“人字紋”收斂于管體外表面。使用超景深光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，斷口外表面可看到3個裂紋源，如圖3所示，靠外表面的裂紋源區(qū)明顯有半圓形平臺特征，斷口表面有褐色的腐蝕產(chǎn)物。

圖3 斷口裂紋源形貌Fig.3 Macroscopic morphology of thecrack source area of the fracture surface

1.2 化學(xué)成分分析

使用ARL 4460型直讀光譜儀對油管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。分析結(jié)果顯示，該油管的化學(xué)成分滿足技術(shù)協(xié)議的要求。

1.3 力學(xué)性能測試

從油管管體取樣，利用UH-F500KNI型材料試驗機(jī)、RB 2002型硬度計及PIT302D型沖擊試驗機(jī)，對管體材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，試驗結(jié)果見表2。從分析結(jié)果可以看出，該油管的力學(xué)性能滿足技術(shù)協(xié)議的要求。

表1 油管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 油管力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 金相檢驗

從未斷裂的管體取樣，利用MEF4M型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對管體進(jìn)行金相檢驗。結(jié)果顯示，試樣顯微組織為回火索氏體，晶粒度為7.0級，滿足技術(shù)協(xié)議中晶粒度等級大于等于7級的要求；試樣內(nèi)外表面均有脫碳層，如圖4～5所示。沿管體環(huán)向每隔一定的距離橫向取樣，分別編號為試樣1～5，測量管體內(nèi)外表面的脫碳深度，結(jié)果見表3。可以看出，管體外表面的脫碳層深度明顯大于管體內(nèi)表面的。

管體斷口外表面“人字紋”收斂形貌表明有3個明顯裂紋源，選取其中一個裂紋源區(qū)進(jìn)行剖析。觀察發(fā)現(xiàn)，試樣斷口及外表面有腐蝕坑，試樣外表面靠近斷口處腐蝕坑底有裂紋，如圖6所示。裂紋平行于斷面，腐蝕坑及裂紋內(nèi)填滿腐蝕產(chǎn)物，斷口及裂紋周圍組織未見異常。斷口及表面的腐蝕產(chǎn)物高倍觀察發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物從顏色上可分為兩層，最外層腐蝕產(chǎn)物呈灰色，較為疏松；靠近基體的腐蝕產(chǎn)物顏色較深，呈灰黑色，較為致密，如圖7所示。

圖4 外表面脫碳形貌Fig.4 Decarburization morphology of the outer surface

圖5 內(nèi)表面脫碳形貌Fig.5 Decarburization morphology of the inner surface

圖6 外表面靠近斷口處腐蝕坑底裂紋形貌Fig.6 Crack morphology in the bottom of the corrosion pit on the outer surface

項目試樣1試樣2試樣3試樣4試樣5平均值內(nèi)表面脫碳層深度0.080.090.090.110.110.10外表面脫碳層深度0.190.140.130.180.170.16

圖7 斷口腐蝕產(chǎn)物形貌Fig.7 Morphology of corrosion products on the fracture surface

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從管體斷口裂紋源區(qū)處取樣，進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。斷口低倍觀察發(fā)現(xiàn)明顯的貝紋線及瞬斷區(qū)放射線，高倍觀察發(fā)現(xiàn)斷口表面均被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，如圖8所示。

圖8 斷口裂紋源區(qū)掃描電鏡形貌Fig.8 SEM morphology of the crack source of the fracture surface:a) at low magnification; b) at high magnification

對斷口及腐蝕坑底裂紋內(nèi)觀察到的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖9～12及表4所示。能譜分析結(jié)果顯示，斷口附近腐蝕坑內(nèi)的外層腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量(31.42%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)較內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量(6.01%)要高，內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量(29.39%)較外層腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量(10.01%)要高。裂紋源區(qū)斷口外層表面腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量(37.51%)較內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量(11.88%)要高，而內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物中氧元素的含量較高，而外層腐蝕產(chǎn)物中未發(fā)現(xiàn)氧元素。

2 分析與討論

失效油管的理化檢驗結(jié)果表明，該油管的化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、洛氏硬度、顯微組織及晶粒度均符合技術(shù)協(xié)議的要求。管體顯微組織為回火索氏體，管體內(nèi)外表面均有明顯的脫碳層，且油管外表面的脫碳層深度明顯大于內(nèi)表面的。

圖9 外表面靠近斷口處外層腐蝕產(chǎn)物的能譜分析位置及結(jié)果Fig.9 EDS analysis position and result of external corrosion products on the outer surface nearby the fracture:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖10 外表面靠近斷口處內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物的能譜分析位置及結(jié)果Fig.10 EDS analysis position and result of inner corrosion products on the outer surface nearby the fracture:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖11 裂紋源區(qū)外層腐蝕產(chǎn)物的能譜分析位置及結(jié)果Fig.11 EDS analysis position and result of external corrosion products in the crack source area:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖12 裂紋源區(qū)內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物的能譜分析位置及結(jié)果Fig.12 EDS analysis position and result of inner corrosion products in the crack source area: a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

位置FeCOSCrCaSiK外表面靠近斷口處裂紋內(nèi)裂紋源區(qū)外層腐蝕產(chǎn)物50.877.0210.0131.420.68---內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物55.529.6026.396.011.470.430.330.26外層腐蝕產(chǎn)物58.134.36-37.51----內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物42.945.2836.2211.883.43-0.25-

從斷口宏觀形貌來看，斷口具有多源特征，裂紋源區(qū)明顯有半圓形平臺。掃描電鏡低倍下可觀察到貝紋線，表明油管斷裂屬于疲勞斷裂[3]。

有文獻(xiàn)研究[4-6]表明，脫碳層的存在會降低油管表面的耐腐蝕能力，促進(jìn)表面腐蝕坑的形成。據(jù)現(xiàn)場提供資料，該油管是在正常產(chǎn)氣56 d(天)后更換產(chǎn)氣層時才發(fā)現(xiàn)失效的。該井加裝了封隔器，并采用清水作為洗井液。由于油管與套管的環(huán)空中存在著一定量的水分及溶解氧，在這種復(fù)雜腐蝕介質(zhì)的作用下，油管外表面首先發(fā)生氧腐蝕，形成腐蝕坑，坑內(nèi)產(chǎn)生氧化物[7]。另外，油管所在的井為直井氣井，所產(chǎn)氣體含硫，該井共下入395支油管，失效油管為距離井口第72支。失效油管在使用過程中除了承受較大的拉伸載荷(自重產(chǎn)生)外，還承受循環(huán)的拉壓氣動載荷。油管外表面腐蝕坑的形成，會在坑底部形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)，從而導(dǎo)致裂紋優(yōu)先在腐蝕坑底部形核。油管使用過程中，由于表面反復(fù)承受拉壓載荷，裂紋在硫及氧介質(zhì)的共同作用下，向管體內(nèi)壁進(jìn)一步擴(kuò)展，直至穿透壁厚，而管體內(nèi)部高含硫介質(zhì)的泄漏，進(jìn)一步加劇了裂紋表面(或斷口表面)腐蝕，最終導(dǎo)致了油管斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1) 油管的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合技術(shù)協(xié)議要求，管體顯微組織為回火索氏體，管體內(nèi)外表面均有脫碳特征，且外表面的脫碳層深度大于內(nèi)表面的。油管外表面脫碳的存在促進(jìn)了外表面氧腐蝕的形成。

(2) 油管失效屬于腐蝕疲勞斷裂，在使用過程中，油管外表面與水及空氣接觸發(fā)生氧腐蝕形成的腐蝕坑為疲勞源。油井內(nèi)含硫介質(zhì)的存在，加劇了油管的腐蝕，促進(jìn)了疲勞裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致油管斷裂失效。

(3) 建議改進(jìn)油管的熱處理工藝，避免表面脫碳層的形成。

[1] 張鳳武,趙學(xué)增,王偉杰.油管無損探傷現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].油氣地面工程,2003,22(9):91-91.

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Failure Analysis on Fracture of a Tubing Used in an Oilfield

ZHU Lixia, LI Jinfeng, QU Tingting, ZHANG Hua, TONG Ke

(CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi’an 710077, China)

A tubing used in an oilfield for a vertical gas well fractured after 56 days regular gas production. Macroscopic examination, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis were used to comprehensively investigate the failure reasons of the oil tube. The results show that: the fracture of the oil tube belonged to the corrosion fatigue fracture; and the decarburization on the outer surface reduced the corrosion resistance of the oil tube; during the service process, the oxygen corrosion occurred on the outer surface where the water and air contacted, and the corrosion pitting formed; the stress concentration generated in the bottom of corrosion pitting, and induced the fatigue crack source; under the action of external force, fatigue cracks propagated constantly, and finally led to the fracture failure of the tubing.

tubing; corrosion fatigue fracture; decarburization

10.11973/lhjy-wl201707013

2016-08-09

朱麗霞(1980-)，女，高級工程師，碩士，主要從事油氣輸送管材的組織與性能研究，zhulx@cnpc.com.cn

TG172

B

1001-4012(2017)07-0510-05