316L不銹鋼液控管線失效分析*

顧啟林，孫永濤，馬增華，董社霞，朱春明

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津300459）

316L不銹鋼液控管線失效分析*

顧啟林，孫永濤，馬增華，董社霞，朱春明

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津300459）

316L不銹鋼液控管線在某油田注汽井服役過(guò)程中出現(xiàn)了多條裂紋，導(dǎo)致液壓油滲漏。通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、金相分析、成分分析、掃描電鏡（SEM）觀察及能譜分析（EDS）等檢測(cè)方法對(duì)液控管線失效原因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：316L不銹鋼液控管線在高溫（260℃）、高壓（19.5 MPa）下工作，環(huán)境中存在氯離子和氧，在拉應(yīng)力共同作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）。

316L不銹鋼 液控管線 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 失效

某油田蒸汽吞吐井開(kāi)展熱采井下安全工具試驗(yàn)期間，使用φ6.35 mm的316L不銹鋼液控管線控制井下安全閥的開(kāi)啟、關(guān)閉。液控管線處于油套環(huán)形空間，經(jīng)油管接箍，通過(guò)管線保護(hù)器固定到φ114.3 mm的隔熱油管上。管線內(nèi)部充滿高溫液壓油，周圍介質(zhì)為高溫高壓的水、蒸汽、氮?dú)夂脱鯕獾然旌狭黧w，最高工作溫度約為260℃，最高工作壓力約為19.5 MPa［1］。燜井期間液控管線出現(xiàn)壓力逐漸下降現(xiàn)象，補(bǔ)壓后快速下降，且無(wú)法泄壓至零，導(dǎo)致安全閥無(wú)法正常關(guān)閉。起井后發(fā)現(xiàn)，位于170～200 m井段的液控管線存在多處裂紋。為找出原因以防止腐蝕開(kāi)裂再次發(fā)生，對(duì)發(fā)生腐蝕的部位進(jìn)行了詳細(xì)檢查分析。

1 檢測(cè)分析

1.1 宏觀檢驗(yàn)

根據(jù)腐蝕程度，從液控管線不同位置取樣，進(jìn)行宏觀檢查及裂紋水穿透性檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。由圖1和圖2可以看出，液控管線存在多條貫穿管線內(nèi)外的平行微裂紋，裂紋均分布在管線存在拉應(yīng)力的一側(cè)［2］。

圖1 液控管線裂紋

圖2 液控管線裂紋水穿透性檢測(cè)

1.2 顯微形貌分析

采用體視顯微鏡對(duì)液控管線斷口形貌進(jìn)行觀察，顯微形貌見(jiàn)圖3和圖4。由圖3可以看出，1號(hào)樣品裂紋內(nèi)部斷口平整，裂紋外部未見(jiàn)明顯的塑性變形；由圖4可以看出，2號(hào)樣品裂紋尖端呈分叉狀，存在明顯的二次裂紋［3］。

圖3 1號(hào)樣品裂紋顯微形貌

圖4 2號(hào)樣品裂紋顯微形貌

1.3 金相分析

使用金相顯微鏡對(duì)液控管線進(jìn)行金相組織觀察和分析，圖5為兩處裂紋的顯微組織和形貌。由圖5可以看出，液控管線基體組織和裂紋周邊組織均為奧氏體，無(wú)明顯差異，裂紋呈樹(shù)枝狀，屬典型的穿晶型裂紋［4］，一些晶粒表面還可看到點(diǎn)狀腐蝕坑。

1.4 成分分析

將液控管線切斷分段后，在丙酮中進(jìn)行超聲清洗，去除管線內(nèi)外油污，然后對(duì)管線基體進(jìn)行電子能譜分析（EDS）［5-6］，結(jié)果見(jiàn)表 1。由表 1可知，失效的液控管線基體的主要化學(xué)成分Cr，Ni，Mo和Mn含量均符合標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5L規(guī)定的316L不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分要求，材質(zhì)屬于316L奧氏體不銹鋼。

圖5 裂紋處的顯微組織和形貌

表1 失效液控管線基體化學(xué)成分 w，%

1.5 掃描電鏡形貌觀察

對(duì)樣品的裂紋表面和內(nèi)部進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察和EDS，結(jié)果見(jiàn)圖6至圖12。

圖6 1號(hào)樣品裂紋表面的SEM形貌

圖6為1號(hào)樣品裂紋表面的SEM形貌，可見(jiàn)裂紋處韌窩不顯著，主要為腐蝕作用形成的裂紋形態(tài)［7］。圖7和圖8為1號(hào)樣品裂紋內(nèi)部的SEM形貌和EDS分析結(jié)果，可見(jiàn)裂紋內(nèi)部有含O，Mo，Ni和Fe等元素的腐蝕產(chǎn)物。圖9至圖12分別為2號(hào)樣品裂紋表面、裂紋內(nèi)部的SEM形貌和EDS分析結(jié)果，可見(jiàn)裂紋表面和裂紋內(nèi)部均存在明顯腐蝕產(chǎn)物［8］。

圖7 1號(hào)樣品裂紋內(nèi)部SEM

圖8 1號(hào)樣品裂紋內(nèi)部EDS

圖9 2號(hào)樣品裂紋表面SEM

圖10 2號(hào)樣品裂紋表面EDS

2 失效原因分析

2.1 工作溫度

液控管線在井下所處的狀態(tài)見(jiàn)圖13，注蒸汽期間油套環(huán)空的溫度逐漸升高，導(dǎo)致液控管線的強(qiáng)度和韌性下降，且在200～300℃內(nèi)，316L不銹鋼具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，較高的工作溫度加速了液控管線開(kāi)裂失效的過(guò)程［9-10］。

2.2 工作應(yīng)力

注蒸汽期間油套環(huán)空的溫度逐漸升高，液控管線受熱伸長(zhǎng)，處于拉伸狀態(tài)，且抗拉伸性能逐漸下降。

圖11 2號(hào)樣品裂紋內(nèi)部SEM

圖12 2號(hào)樣品裂紋內(nèi)部EDS

圖13 液控管線井下?tīng)顟B(tài)

2.3 工作介質(zhì)

（1）注蒸汽前，油套環(huán)空中充滿了生產(chǎn)水和原油的混合物，含有一定量的氯離子，而奧氏體不銹鋼對(duì)含有氯離子的介質(zhì)特別敏感。注蒸汽過(guò)程中，油套環(huán)空溫度逐漸升高，由于溶液中存在氯離子，將會(huì)加速腐蝕開(kāi)裂［11］；

（2）注蒸汽過(guò)程中，向油套環(huán)空注入的氮?dú)庵泻畜w積分?jǐn)?shù)4%的氧氣，滿足奧氏體不銹鋼高溫高壓純水含氧介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕條件。

綜上所述，在溫度、應(yīng)力以及介質(zhì)中氯離子和氧的聯(lián)合作用下［12］，液控管線產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋源，隨后裂紋繼續(xù)發(fā)展，最后在應(yīng)力和腐蝕的交替作用下［13］，液控管線最終發(fā)生穿透泄漏而失效。

3 結(jié) 論

（1）介質(zhì)中存在氯離子和氧氣，在拉應(yīng)力共同作用所導(dǎo)致的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）是316L不銹鋼液控管線失效的主要原因；

（2）高溫服役環(huán)境（最高溫度260℃）加劇了316L不銹鋼液控管線的開(kāi)裂失效過(guò)程。

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Failure Analysis of 316L Stainless Steel Hydraulic Pipeline

Gu Qilin，Sun Yongtao，Ma Zenghua，Dong Shexia，Zhu Chunming
（COSL Oilfield and Production Research Institute，Tianjin 300459，China）

A number of cracks appeared on 316L stainless steel hydraulic pipeline in service，leading to the leakage of hydraulic fluid.Failure causes of the pipeline were analyzed by means of macroscopic detection，metallographic analysis，composition analysis，SEM and EDS.The results show that the pipeline suffered from stress corrosion cracking（SCC）due to the interaction of chloride ions，oxygen ions and tensile stress under high temperature and high pressure（260℃，19.5 MPa）.

316L stainless steel，hydraulic pipeline，SCC，failure

2017-06-20；修改稿收到日期：2017-09-21。

顧啟林（1986—），碩士，中級(jí)采油工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上稠油開(kāi)采工作。E-mail：guql2＠cosl.com.cn

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“規(guī)?；嘣獰崃黧w熱采工程技術(shù)示范”（2016ZX05058-003-009）。

（編輯 王維宗）