高H2S環(huán)境油管斷裂原因分析

李風(fēng)（1.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心， 山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 山東 東營(yíng) 25700）

高H2S環(huán)境油管斷裂原因分析

李風(fēng)1.2（1.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心， 山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 山東 東營(yíng) 25700）

通過(guò)事故調(diào)查、材料檢測(cè)、斷口分析，對(duì)某油井油管斷裂原因進(jìn)行了深入分析，得到該油管表面存在大量的嚴(yán)重應(yīng)力集中區(qū)，而產(chǎn)出液硫化氫含量較高，油管與硫化氫發(fā)生化學(xué)腐蝕后氫擴(kuò)散、集聚速度加快，最終導(dǎo)致硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂而發(fā)生斷裂的結(jié)論，并為避免類似事件再發(fā)生提出了建議措施。

金相組織；H2S；電子探針；高周疲勞

事故井為為評(píng)價(jià)井，局部構(gòu)造濟(jì)陽(yáng)坳陷。設(shè)計(jì)井深4240m，完鉆井深4573m，篩管深度3848.95m，射孔井段3850.5～3889.3m；完鉆層位奧陶系，完井方法為套管完井，井型為直井。對(duì)斷裂油管打撈后測(cè)量，斷口位于井下約340米處。針對(duì)油管斷裂進(jìn)行了以下檢測(cè)分析，并根據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果得出造成油管斷裂的原因以及應(yīng)對(duì)措施。

1　化學(xué)成分分析

油管材質(zhì)化學(xué)成分的分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　管材的化學(xué)成分（%）

2　力學(xué)性能分析

斷裂油管的機(jī)械性能見(jiàn)表2 。斷裂油管和與之相接的油管力學(xué)性能基本一致，其機(jī)械性能指標(biāo)符合API SPEC 5CT 中N80鋼級(jí)。

表2　斷裂管和鄰接管的縱向機(jī)械性能

3　斷裂管材金相組織分析

斷裂油管縱向組織分析：根據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)，非金屬夾雜物，評(píng)定為A2.5；D3級(jí)，見(jiàn)圖1；根據(jù)GB/T13298標(biāo)準(zhǔn)，縱向帶狀組織評(píng)定為B系列3級(jí)，塊狀鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)均勻細(xì)小，見(jiàn)圖2，均符合API SPEC 5CT 中N80鋼級(jí)要求。

圖1　非金屬夾雜物（×100）

圖2　金相組織（×500）圖3斷口宏觀形貌

4　斷口宏觀形貌分析

由圖3可見(jiàn)，斷裂源區(qū)有2個(gè)。在裂紋擴(kuò)展區(qū)具有臺(tái)階形貌，最后為明顯的快速撕裂的剪切層。根據(jù)裂紋與發(fā)展逆向原理，確定兩個(gè)裂紋萌生點(diǎn)，且兩裂紋相交，出現(xiàn)了臺(tái)階。斷口存在高周疲勞多源斷裂的特征，說(shuō)明油管在斷裂過(guò)程中，由于壓力突然泄放出現(xiàn)了高頻震動(dòng)，直至最后撕裂。

5　斷口微觀分析

由兩個(gè)裂紋源之一的塑性變形區(qū)電子探針形貌（圖4）可見(jiàn)，存在較大塑性變形區(qū)，且塑性變形區(qū)的硫和鐵含量很高，與之相對(duì)應(yīng)的是，遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)硫含量低得多（圖5）。成分中Na、Ca、Al、Mg、Zn和Cl等屬于痕量級(jí)別，不影響結(jié)果分析。另外一個(gè)裂紋源具有相同結(jié)論。

根據(jù)成分測(cè)試結(jié)果可知，裂紋在萌生過(guò)程中發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂。其一般機(jī)理是：在硫化氫介質(zhì)中，硫化氫與鐵發(fā)生局部腐蝕，電離出的H2滲入鐵基體，并擴(kuò)散、集聚而導(dǎo)致裂紋萌生。反應(yīng)式為：

H2S + Fe → FeS + H2

由于氫在材料中擴(kuò)散、集聚，局部壓力上升而導(dǎo)致機(jī)體萌生裂紋，出現(xiàn)較大塑性變形區(qū)。判斷硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂的主要證據(jù)包括：硫化氫濃度、溫度、材質(zhì)、應(yīng)力狀況、表面腐蝕狀況等。在本案例中，硫化氫濃度為6000ppm、溫度在30℃左右、材料帶狀組織、表面應(yīng)力集中明顯，等等，可以判斷發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂。

表3　電子探針成分分析

圖4　裂紋源區(qū)電子探針?lè)治?/p>

圖5　遠(yuǎn)離裂紋源的電子探針?lè)治?/p>

6　斷裂原因分析

斷裂油管金相組織為塊狀鐵素體 + 細(xì)片珠光體組織，機(jī)械性能達(dá)到N80等級(jí)，材料中非金屬夾雜物等級(jí)為2.5級(jí)，帶狀組織等級(jí)為B系列3級(jí)。

油管表面存在較深的液壓鉗夾持造成的咬痕，由于油管使用時(shí)間短，管材表面無(wú)明顯腐蝕跡象，但由于管材表面的咬痕為嚴(yán)重應(yīng)力集中區(qū)，加速了硫化氫與鐵的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氫的擴(kuò)散、集聚速度加快，裂紋塑性變形區(qū)較大、塑變區(qū)硫含量很高、表面存在明顯的應(yīng)力集中是硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂的很好證據(jù)。

根據(jù)斷裂作業(yè)、材料分析、斷口成分和斷口形貌分析，作出綜合判斷，油管在交變應(yīng)力作用下，發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開(kāi)裂，最終導(dǎo)致斷裂。

7　結(jié)語(yǔ)

油井產(chǎn)出液中H2S含量高時(shí)，易造成管、桿氫致應(yīng)力開(kāi)裂，應(yīng)及時(shí)對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行組分分析，當(dāng)H2S含量高時(shí)宜采取適當(dāng)措施，例如使用防硫管材等方式，避免氫致應(yīng)力開(kāi)裂的發(fā)生對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重后果。

［1］楮武揚(yáng).氫損傷和滯后斷裂［M］.冶金工業(yè)出版社，1988.

［2］航空航天工業(yè)部失效分析中心.航空機(jī)械失效案例選編［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［3］胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)［K］.成都：I～Jll科學(xué)技術(shù)出版社，1999.