油氣開采套管法蘭盤斷裂分析

吳軻源 ， 吳高路 ， 徐良清 ， 徐良樂 ， 吳高明

（馬鞍山旭陽機(jī)械有限公司，安徽 馬鞍山 243121）

0 引言

42CrMo 鋼具有良好的淬透性，調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，是一種應(yīng)用十分廣泛的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼[1-3]。石油、天然氣開采井下套管不僅是油氣的儲運(yùn)通道，而且在工作時承受較大的壓力[4-6]。法蘭盤主要用于井下套管的轉(zhuǎn)接，具有便于拆裝的優(yōu)點(diǎn)[7]。為保障套管接頭的密封和承壓能力，套管接頭的法蘭盤一般采用42CrMo 調(diào)質(zhì)鋼制造。

在油田開采過程中發(fā)現(xiàn)1 例套管接頭法蘭盤的整體崩裂事故。該法蘭盤材質(zhì)為42CrMo，最終熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)。在油氣開采現(xiàn)場，很少發(fā)生此類開裂事故。此事故導(dǎo)致開采工作被迫停止，檢修和更換工作十分繁瑣，開采效率大大降低。本研究采用宏觀檢查、斷口分析、成分和夾雜物檢測、組織與晶粒度分析、齒面加工三維形貌成像等手段，對失效法蘭盤的斷裂原因進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致法蘭盤發(fā)生開裂的主要原因，提出預(yù)防事故再次發(fā)生的措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

圖1 為42CrMo 法蘭盤整體崩裂樣件的一部分。肉眼觀察崩裂樣件可以發(fā)現(xiàn)，法蘭盤在工作時發(fā)生快速的整體脆性斷裂，斷裂起始部位分別在圖1a 中箭頭所指位置。裂紋源在工作應(yīng)力的作用下先快速向下擴(kuò)展，受到阻力后向法蘭盤周向快速脆斷，最后在斷裂的結(jié)束部位產(chǎn)生一定的撕裂。觀察法蘭盤齒根發(fā)現(xiàn)，齒根部位有較清晰的加工刀痕（圖1b）。在法蘭盤上截取3 塊試樣，取樣位置見圖1a。1#試樣用于掃描電子顯微鏡（SEM）斷口分析，2#試樣用于夾雜物、組織以及晶粒度檢測，采用MFT-3000 三維光學(xué)形貌儀對3#試樣進(jìn)行加工齒面的形貌分析。

圖 1 法蘭盤外觀形貌Fig.1 Appearance of failed flange

1.2 斷口分析

圖2 為斷口SEM 照片，斷口宏觀形貌可分為A、B、C 不同的區(qū)域（圖2）。由圖可見：A 區(qū)基本被較致密的氧化物覆蓋，表明該區(qū)斷裂最早發(fā)生且表面被氧化，原始的斷口形貌不易觀察，但整體上還是表現(xiàn)出脆性斷裂的特征；B 區(qū)表面平整，為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)；C 區(qū)顯示裂紋擴(kuò)展發(fā)生了轉(zhuǎn)向，圖2d 顯示C 區(qū)裂紋沿晶擴(kuò)展，仍然為典型脆性斷口特征。據(jù)此可以推斷，斷裂源應(yīng)該在法蘭盤的表面或近表面，在受力時，首先在A 區(qū)產(chǎn)生向下的快速脆性擴(kuò)展，并通過B 區(qū)，在受到周向應(yīng)力時，擴(kuò)展發(fā)生轉(zhuǎn)向，并發(fā)生沿周向的整體斷裂。

1.3 成分與夾雜物分析

法蘭盤的化學(xué)成分檢測結(jié)果顯示雜質(zhì)元素S、P 含量分別為0.009%和0.012%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），符合油氣開采法蘭盤的化學(xué)成分要求[8]。根據(jù)國標(biāo)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對鋼中夾雜物進(jìn)行評級，其結(jié)果見表1。試樣中A、B、C 類夾雜較少，非齒根部位的D 類夾雜級別為0.5，符合產(chǎn)品對夾雜物含量的要求。然而，在接近法蘭的齒根部位發(fā)現(xiàn)D 類夾雜達(dá)到2.0 級（圖3）。

圖 2 斷口試樣SEM 形貌Fig.2 Micro morphology of the fracture surface

表 1 夾雜物級別Table 1 Inclusion level of the sample

圖 3 接近齒根部位夾雜金相顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Metallographic image of inclusions at the tooth root

通過SEM/EDS 對夾雜物進(jìn)行進(jìn)一步的分析。圖4a 顯示了接近齒根部位的條狀夾雜，EDS 分析（圖4c）表明條狀夾雜為S、O 的復(fù)合型夾雜物。由圖4b 可以發(fā)現(xiàn)，接近齒根處有一定數(shù)量的不規(guī)則形狀的夾雜物。對圖4b 中多邊形和近似三角形的夾雜進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：多邊形的夾雜為Fe、Si 的C、O 化物，而近似三角形的夾雜為Si、Fe 的C 化物，這些類型的夾雜受力時易在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而有產(chǎn)生裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展的風(fēng)險[9-11]（圖4d、圖4e）。

1.4 組織與晶粒度分析

對法蘭盤的組織進(jìn)行觀察，其組織為回火索氏體（圖5a），組織均勻性好，未發(fā)現(xiàn)異常組織。圖5b 顯示了法蘭盤的奧氏體晶粒度大小，觀察面晶粒度比較均勻，根據(jù)GB/T 6394—2017 評定晶粒度級別為8.5 級，滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)晶粒度大于5.0 級的要求。良好的組織均勻性和較細(xì)小的晶粒有利于材料力學(xué)性能的改善。

圖 4 接近齒根部位夾雜物SEM 形貌及EDS 譜圖Fig.4 SEM images and EDS analysis of inclusions at the tooth root

圖 5 金相組織及晶粒度照片F(xiàn)ig.5 Microstructure and grain images

1.5 齒面加工三維形貌分析

使用在線三維光學(xué)形貌儀對圖6a 中所示的4 個區(qū)域進(jìn)行齒面三維形貌分析。由圖6 可以發(fā)現(xiàn)：4 個區(qū)域的表面起伏大，最大起伏分別為200、59、97、114 μm；接近齒根部位有明顯的凸起，齒面上有一定的加工缺陷，如凹陷和加工淺溝槽等。集成在線三維光學(xué)形貌儀分析結(jié)果表明，法蘭加工存在一定的加工缺陷，特別是齒根處的加工缺陷易引起應(yīng)力集中，可能對工件的工作造成不利影響[12]。

圖 6 三維光學(xué)形貌儀采集區(qū)域及其三維形貌圖Fig.6 Sampling location and their three-dimensional topography

2 分析與討論

斷口宏觀觀察和微觀分析表明：法蘭盤在工作時，在齒面應(yīng)有多個裂紋起始部位。在工作初期裂紋沿垂直齒面方向向下擴(kuò)展。隨后由于受到較大的周向應(yīng)力而發(fā)生快速整體崩裂。大面積的崩裂卸載了工作應(yīng)力，因此，在斷裂的結(jié)束階段產(chǎn)生了撕裂現(xiàn)象。斷口上未觀察到疲勞斷裂的痕跡，排除疲勞斷裂的可能。斷口整體表現(xiàn)為脆性斷裂的特征，斷裂過程相對較快，這些表明法蘭盤在使用之前可能在冶金、材料或加工等方面存在質(zhì)量缺陷。

法蘭盤最終熱處理為調(diào)質(zhì)處理，組織為回火索氏體，回火充分，組織均勻，晶粒度為8.5 級。因此，法蘭盤的熱加工工藝得當(dāng)，斷裂與顯微組織無關(guān)。法蘭盤的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求，調(diào)取此批工件的質(zhì)量檢測報告，發(fā)現(xiàn)夾雜物和力學(xué)性能也滿足要求。然而，在失效法蘭盤的齒根部位發(fā)現(xiàn)D 類夾雜級別為2.0 級，超過了≤1.0 級的要求。SEM/EDS 分析進(jìn)一步表明，該類夾雜為帶有尖角硬質(zhì)的Fe、Si 的碳化物或碳氧化物。法蘭盤加工的表面粗糙度要求Ra為6.3，即表面加工粗糙度應(yīng)控制在8 μm 以內(nèi)[13]；三維光學(xué)形貌分析顯示法蘭盤的齒面加工質(zhì)量差，特別是接近齒根部位出現(xiàn)較多尖銳的凸起。歸因于3 個方面的疊加：齒根自身拐角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中、夾雜物尖角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中、加工尖狀凸起引起的應(yīng)力集中。此法蘭盤齒根部位形成比正常法蘭盤齒根部位大得多的應(yīng)力集中，裂紋源首先在夾雜和加工凸起處多點(diǎn)產(chǎn)生，并迅速擴(kuò)展失穩(wěn)產(chǎn)生崩裂。此批法蘭盤的原材料經(jīng)過了嚴(yán)格的冶金控制，在該批中只有這只發(fā)生了失效，查找原始生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn)，此只法蘭盤可能取自鋼錠的頭部，夾雜異?？赡芘c鋼錠頭部去除較少有關(guān)。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

1）法蘭盤的斷裂性質(zhì)為在工作應(yīng)力作用下局部缺陷引起的脆性快速斷裂，該斷裂與材料成分、顯微組織無關(guān)。

2）法蘭盤斷裂的主要原因?yàn)椴牧系腄 類夾雜超標(biāo)、齒面加工質(zhì)量差。

3）進(jìn)一步加強(qiáng)冶金過程的控制，增加鋼錠頭部的切除率，加大同批次產(chǎn)品的夾雜物檢測力度；引進(jìn)了法蘭盤齒面的精加工設(shè)備，并改進(jìn)精加工工藝。通過上述措施的實(shí)施，類似的失效再未發(fā)生，產(chǎn)品的質(zhì)量得到了顯著的提升。