KQ65采氣樹四通法蘭開裂分析

戰(zhàn)　彬，王向東，王西強(qiáng)，王向陽，張繼明（.中國石油集團(tuán)海洋工程 （青島）有限公司，山東 青島 6650；.中石化勝利油建工程有限公司，山東 東營 5707；.中國石油長慶油田第七采油廠，西安 7008；4.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 70077）

KQ65采氣樹四通法蘭開裂分析

戰(zhàn)彬1，王向東2，王西強(qiáng)3，王向陽1，張繼明4，*
（1.中國石油集團(tuán)海洋工程 （青島）有限公司，山東 青島 266520；
2.中石化勝利油建工程有限公司，山東 東營 257073；3.中國石油長慶油田第七采油廠，西安 710018；4.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077）

通過宏觀形貌觀察、力學(xué)性能測試、金相顯微組織和微觀形貌分析，對KQ65采氣樹四通法蘭開裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明:KQ65采氣樹四通法蘭開裂是由于熱加工過程中，冷卻速度過慢，使其顯微組織中珠光體粗化，并且先共析多邊形鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀析出，大大降低了四通法蘭的低溫韌性，從而導(dǎo)致其在低溫下發(fā)生脆性斷裂。另外，由于采氣樹四通法蘭頸部結(jié)構(gòu)尺寸的突然變化，在該處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋在此處萌生。

采氣樹；四通法蘭；網(wǎng)狀鐵素體；韌性；應(yīng)力集中；開裂

0　引言

世界油氣田中大約1/3含有H2S氣體，我國許多油氣田如四川、長慶、華北、新疆等油氣田的油氣層中也都含有H2S。含有H2S腐蝕氣體的天然氣在開采時會對井口裝置產(chǎn)生H2S應(yīng)力腐蝕，因此要求采氣井套管及其井口裝置應(yīng)具有抗H2S腐蝕性能［1］?？笻2S腐蝕裝備鋼材屬于高技術(shù)含量的產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)被視為頂尖技術(shù)而嚴(yán)格保密，一直被少數(shù)先進(jìn)的日本、美國等大型鋼鐵企業(yè)壟斷，并且國外對H2S腐蝕機(jī)理研究較為領(lǐng)先［2-3］。而隨著國內(nèi)油氣消耗的增加及大慶、塔里木等大型油氣田的開采，國內(nèi)在抗H2S腐蝕等領(lǐng)域的研究也取得了較大的進(jìn)展［4］。

采氣樹是自噴井和機(jī)采井用來開采石油和天然氣的井口裝置，是油氣井最上部的控制和調(diào)節(jié)油氣生產(chǎn)的主要設(shè)備。采氣樹主要由套管頭、油管頭、采氣樹本體3部分組成。采氣樹四通是懸掛井內(nèi)油管、密封油和套管之間環(huán)形空間的關(guān)鍵裝置，通過法蘭盤連接上下結(jié)構(gòu)件，可以控制和調(diào)節(jié)氣井的生產(chǎn)，從而保證各項井下作業(yè)施工，便于壓井作業(yè)、起下作業(yè)等措施施工和進(jìn)行測壓、清蠟等日常生產(chǎn)管理。

油氣田采氣井在進(jìn)行采氣作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)采氣樹四通法蘭開裂，該采氣樹材質(zhì)為抗H2S腐蝕KQ65鋼，采用鍛造工藝生產(chǎn)。該采氣樹額定工作壓力為35 MPa，而實際運行的最高壓力為22 MPa，開裂時實時運行壓力僅為3.39 MPa，工作環(huán)境為露天，環(huán)境最低溫度-10℃，輸送介質(zhì)為不含S天然氣。為了確保安全平穩(wěn)生產(chǎn)，生產(chǎn)單位立即將采氣樹開裂四通法蘭拆卸替換，分析采氣樹四通法蘭開裂原因，以便改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高我國在能源領(lǐng)域抗S腐蝕裝備的制造水平。

1　宏觀分析

開裂四通法蘭徑向長約570 mm，上下端各有1個法蘭，法蘭盤外徑約395 mm，內(nèi)徑約160 mm（圖1a）。在上法蘭處存在一貫穿上法蘭盤厚度的裂紋，該裂紋延伸到與四通頸部連接的位置產(chǎn)生分叉，一支裂紋沿法蘭和四通鏈接頸部環(huán)向擴(kuò)展，另一只裂紋繼續(xù)沿四通頸部徑向擴(kuò)展，貫穿整個上法蘭頸部（圖1b）。為了更清楚觀察四通法蘭的開裂情況，在鋸床上對四通法蘭進(jìn)行切割，切割方式為從法蘭和四通鏈接頸部底部環(huán)向切為3部分，然后再沿整個四通法蘭軸向?qū)ζ书_，剖開面避開開裂位置（圖2）。從圖2可以看出，開裂法蘭盤的內(nèi)壁裂紋并沒有全部貫通，而外壁裂紋不但貫通且已經(jīng)張開，初步判斷法蘭盤的開裂是從外璧向內(nèi)壁擴(kuò)展的。仔細(xì)觀察外壁法蘭盤頸部連接處，發(fā)現(xiàn)此處是環(huán)向裂紋和縱向2條裂紋的交匯處，表明該交匯點可能是引起開裂的裂紋萌生位置。

圖1　采氣樹四通法蘭開裂宏觀形貌Fig.1　Macro morphology of four-channel flange cracking of gas production tree

圖2　四通法蘭的開裂位置形貌Fig.2　Cracking morphology of four-channel flange

2　理化分析

2.1力學(xué)性能分析

從法蘭開裂位置附件進(jìn)行切割取樣，依據(jù)SY/T5127—2002《井口裝置和采油樹規(guī)范》［1］進(jìn)行拉伸性能和沖擊韌性檢驗。拉伸試驗采用圓棒試樣，尺寸為φ8.9 mm×35 mm，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2014在UTM-5305型拉伸試驗機(jī)進(jìn)行，試驗溫度為室溫。沖擊試樣尺寸為10 mm×10mm×55 mm，沖擊試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2014在PIT302D-型沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗溫度分別為20、0、-10、-20、-30℃。

表1為四通法蘭拉伸試驗結(jié)果，由表可見，采氣樹四通法蘭的拉伸性能指標(biāo)符合SY/T 5127—2002要求，其中抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求150 MPa以上。表2為四通法蘭夏比沖擊性能測試結(jié)果，隨著試驗溫度的降低，沖擊值減小，當(dāng)試驗溫度降低到-10℃時，沖擊韌性僅為5 J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗溫度為20℃平均沖擊值也低于SY/T 5127—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1　拉伸試驗結(jié)果Table 1　Tensile properties of four-channel flange

表2　四通法蘭系列溫度夏比沖擊韌性Table 2　Charpy impact toughness of four-channel flange at different temperature

2.2化學(xué)成分分析

表3為四通法蘭化學(xué)成分分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對比。表中C、S元素用LECO CS-444型C、S分析儀單獨進(jìn)行測定，而其余元素用 Baird Spectrovac2000型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測。結(jié)果表明，四通法蘭化學(xué)成分符合SY/T 5127—2002要求，并且其S、P元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值，鋼質(zhì)較為純凈。

表3　四通法蘭化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 3　Chemical composition of four-channel flange（mass fraction/%）

2.3金相組織分析

采用MeF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13298—1991、GB/T 4335—2013、ASTM E 45—2013、ASTM E 112—2013對四通法蘭進(jìn)行金相組織分析。圖3為四通法蘭金相組織照片，四通法蘭金相組織為多邊形鐵素體（白色組織）和珠光體（灰色）雙相組織，珠光體晶粒粗大，而多邊形鐵素體成網(wǎng)狀分布在珠光體晶粒周圍。開裂位置的裂紋附近發(fā)現(xiàn)大量的二次裂紋，二次裂紋為穿晶擴(kuò)展。根據(jù)晶粒度評價標(biāo)準(zhǔn)對四通法蘭進(jìn)行晶粒度評定，評定級別為3級，而SY/T 5127—2002標(biāo)準(zhǔn)要求晶粒度級別為大于或等于7級，晶粒度級別不滿足要求。

圖3　四通法蘭金相組織Fig.3　Optical microstructure of four-channel flange

2.4斷口形貌分析

把四通法蘭開裂位置用鋸床切割下來，沿裂紋擴(kuò)展方向把開裂位置打開，觀察裂紋起源，圖4為打開后斷裂表面形貌，整個斷口表現(xiàn)為典型的脆性斷裂形貌，清楚的觀察到放射狀河流花樣，紅色銹斑位置為早期開裂裂紋，而放射狀河流指向位置即為起裂源區(qū)，也就是最早開裂位置，由圖4可以判斷起裂源位于法蘭盤與四通連接的根部，這里是法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸變化位置，容易引起應(yīng)力集中。

圖4　裂紋打開后的斷口形貌。Fig.4　Fracture morphology after opening crack

為了更細(xì)致觀察四通法蘭斷裂處斷口形貌特征，在FEI掃描電子顯微鏡下進(jìn)行斷口形貌觀察。圖5為四通法蘭斷口掃描電鏡形貌照片，源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)形貌均為脆性解理斷裂，平滑的解理面上分布有河流花樣，解理面尺寸較大，說明材料韌性較差。能譜分析表明在開裂位置沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物等缺陷。

3　分析與討論

根據(jù)SY/T 5127—2002要求，采氣樹四通法蘭材質(zhì)應(yīng)通過鍛造成型技術(shù)制造，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理獲得所需要的顯微組織和力學(xué)性能。采氣樹在服役運行過程中，需要承擔(dān)上部附件的壓力，而且與油管懸掛器結(jié)合處還受到環(huán)向張力的作用，其力學(xué)性能應(yīng)滿足SY/T 5127—2002要求。此外，由于采氣樹為室外裝置，受到季節(jié)氣溫變化的影響，要求具有良好的低溫韌性。

圖5　四通法蘭斷裂表面掃描電鏡形貌及能譜分析Fig.5　Fracture morphology and energy spectrum analysis by SEM

根據(jù)試驗分析結(jié)果，KQ65采氣樹四通法蘭具有較低的沖擊韌性，其室溫沖擊值亦低于-30℃標(biāo)準(zhǔn)要求，表現(xiàn)為低溫脆性特征。而顯微組織觀察表明，四通法蘭晶粒尺寸評級為3級，遠(yuǎn)低于7級的晶粒度要求，且脆性珠光體片層較為粗大，多邊形鐵素體成網(wǎng)狀分布，這種組織為典型的脆性組織，其低溫韌性極低，急劇惡化材料低溫韌性［6-9］。

在奧氏體化的亞共析鋼緩慢冷卻的過程中形成，當(dāng)溫度低于Ar3時，C和合金元素的擴(kuò)散導(dǎo)致一部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體，由于晶界處能量較高，C和合金元素的擴(kuò)散能力較高，所以先共析鐵素體易在晶界出形成。而隨著溫度降低，當(dāng)溫度低于Ar1時，剩余奧氏體中C和和合金元素達(dá)到共析點的配比，此時珠光體形成［9］。如果在兩相區(qū)冷卻速率過慢，先共析鐵素體容易在原奧氏體晶界處析出長大，沿晶界成網(wǎng)狀分布。先共析鐵素體對材料的韌性影響較大，因鐵素體相對其他相較軟，因此容易導(dǎo)致材料內(nèi)部受力不均，拉拔或材料受拉力時容易產(chǎn)生裂紋［10］。因此，四通法蘭低溫開裂是由于法蘭在熱處理時工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致在晶界處形成網(wǎng)狀鐵素體，再加上冷卻速率的緩慢，珠光體組織嚴(yán)重粗化，從而導(dǎo)致法蘭低溫韌性惡化，發(fā)生低溫開裂。另外，四通法蘭頸部結(jié)構(gòu)尺寸變化，形成應(yīng)力集中，裂紋容易在此處萌生［11-12］。

4　結(jié)論

1）KQ65采氣樹四通法蘭開裂是由于在熱處理過程中，高溫段冷卻速率過低，導(dǎo)致組織粗化和多邊形鐵素體在晶界形成網(wǎng)狀，使材料韌性惡化。

2）四通法蘭頸部尺寸結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋。

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Fracture Analysis of Four-channel Flange for KQ65 Gas Production Tree

ZHAN Bin1，WANG Xiang-dong2，WANG Xi-qiang3，WANG Xiang-yang1，ZHANG Ji-ming4，*
（1.CNPC Offshore Engineering（Qingdao）Co.，Ltd.，Shandong Qingdao 266520，China；
2.Sinopec Petroleum Engineering&Construction Shengli Corporation，Shandong Dongying 257073，China；
3.Changqiang Oil Field Company Oil Production Plant No.7，Xi’an 710018，China；4.Tubular Goods Research Institute of CNPC，Xi’an 710065，China）

Fracture failure of four-channel flange for KQ65 gas production tree was investigated by mechanical properties testing，optical microstructure observation and fractureanalysis.Experimental results show that the cracking of the tree four-way flange is due to improper heat treatment during manufacturing process.Due to the slow cooling rate，the pearlite grains coarsened and polygonal ferrite formed network structure along the grain boundary.So the toughness of the four-channel flange decreased greatly.In addition，the structural change of the four-channel flange neck caused local stress concentration and promoted crack initiation here.

gas production tree；four-channel flange；ferrite network；toughness；stress concentration；cracking

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.006

1673-6214（2016）01-0028-05

2015年10月21日

2016年1月28日

張繼明（1977年-），男，博士，高級工程師，主要從事金屬材料微觀機(jī)理等方面的研究。