110 ksi鋼級連續(xù)油管刺漏失效分析*

喬凌云，李博鋒，嚴(yán)繼軒，蘆 琳

（1.國家石油天然氣管材工程研究技術(shù)中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

1 概 述

連續(xù)油管又稱撓性油管、 蛇型管或盤管，是一種高強(qiáng)度、 高塑性、 耐腐蝕、 無螺紋連接的管材，單根長度可達(dá)數(shù)千米。 連續(xù)油管可纏繞在大型卷筒上，廣泛用于鉆井、 測井、 修井、 完井及油氣輸送等領(lǐng)域，貫穿于油氣開采的全過程[1-3]。連續(xù)油管作業(yè)裝置被譽(yù)為萬能作業(yè)機(jī)[4-7]。 由于服役環(huán)境惡劣，作業(yè)類型多樣，受力情況復(fù)雜多變，連續(xù)油管的失效問題變得很棘手[8-11]。

以某油田使用的 110 ksi 鋼級Φ50.8 mm×5.2 mm 連續(xù)油管刺漏樣品為研究對象，通過化學(xué)成分分析、 力學(xué)性能試驗(yàn)、 金相檢驗(yàn)、 斷口分析等手段，找出了連續(xù)油管刺漏失效的主要原因，還原了連續(xù)油管的失效過程。 分析結(jié)果對預(yù)防和減少連續(xù)油管此類失效事故，提高連續(xù)油管的使用壽命有一定的參考價值。

2 連續(xù)油管刺漏失效分析

某油田使用的110 ksi 鋼級Φ50.8 mm×5.2 mm連續(xù)油管，經(jīng)歷打撈、 鉆塞、 通洗井、 測井、射孔等作業(yè)，累計入井40 余次，最后在鉆塞作業(yè)中發(fā)生刺漏，失效部位為管體母材。 對該連續(xù)油管的刺漏樣品進(jìn)行了宏觀形貌分析、 化學(xué)成分分析、 力學(xué)性能試驗(yàn)、 金相檢驗(yàn)、 斷口分析等。

2.1 宏觀形貌分析

失效連續(xù)油管管段實(shí)物照片如圖1 所示。 該連續(xù)油管在第42 次入井進(jìn)行鉆塞作業(yè)時，管體母材A 點(diǎn)發(fā)生刺漏。 刺漏點(diǎn)位于兩條呈人字形交叉的表面裂縫的交叉點(diǎn)上，其中一條裂縫沿管體環(huán)向分布，另一條裂縫與管體軸向呈一定夾角（見圖1 （b）），在刺漏點(diǎn)有明顯的金屬損失。 另外，刺漏點(diǎn)環(huán)向B 點(diǎn)位置也發(fā)現(xiàn)了明顯的機(jī)械磨損及腐蝕痕跡 （見圖1 （c））。

圖1 失效連續(xù)油管管段實(shí)物照片

2.2 化學(xué)成分分析

在連續(xù)油管失效點(diǎn)附近管段取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。 由表1 可見，該管段的化學(xué)成分符合API SPEC 5ST 要求。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 拉伸性能

對失效連續(xù)油管進(jìn)行拉伸性能檢測，檢測結(jié)果見表2。 由表2 可見，失效連續(xù)油管的拉伸性能滿足API SPEC 5ST 要求。

表2 拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相組織、 硬度及夾雜物檢驗(yàn)

對連續(xù)油管靠近失效點(diǎn)位置的母材進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖2 所示。 分析結(jié)果表明，樣管母材金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，未發(fā)現(xiàn)異常組織。

圖2 樣管母材金相組織照片

對失效樣管進(jìn)行硬度檢測，為25～27 HRC，符合API SPEC 5ST 的要求 （≤30 HRC）。

對失效連續(xù)油管進(jìn)行晶粒度及非金屬夾雜物分析，結(jié)果表明，靠近母材晶粒度為13 級，符合API SPEC 5ST 標(biāo)準(zhǔn)8 級或8 級以上要求。 非金屬夾雜物評定結(jié)果見表3。 由表3 可見，非金屬夾雜物，D 類為 1.0 級，其余為 0 級，符合API SPEC 5ST 各類夾雜物不大于2 級的要求。

表3 非金屬夾雜物評定結(jié)果

2.5 斷口分析

截取失效連續(xù)油管的斷口部位，經(jīng)檸檬酸溶液清洗后的外表面形貌如圖3 所示。 由圖3 可見，外表面有不規(guī)則裂縫，裂縫沿鋼管縱向、 環(huán)向分布，裂縫較寬，前端圓鈍，底部平整圓滑。沿刺漏點(diǎn)環(huán)向裂縫剖開，分別分析剖開的1#試樣和2#試樣。

圖3 失效連續(xù)油管斷口部位酸洗后的外表面形貌

2.5.1 1#試樣分析

對1#試樣外管壁進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫表面附著有大量的腐蝕產(chǎn)物。 對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物主要為O、 S、 Cl等，這與油田作業(yè)工況常見腐蝕介質(zhì)成分相吻合。 1#試樣表面及裂縫中的腐蝕產(chǎn)物照片如圖4所示。 掃描電鏡照片及能譜分析結(jié)果見圖5 和表4。

圖4 1#試樣表面及裂縫中的腐蝕產(chǎn)物照片

圖5 腐蝕坑掃描電鏡照片及能譜分析結(jié)果

表4 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

2.5.2 2#試樣分析

對2#試樣斷裂面進(jìn)行掃描電鏡觀察，斷口宏觀照片如圖6 所示。 由圖6 可見，2#試樣斷裂面主要由Ⅰ、 Ⅱ兩個區(qū)域組成，Ⅰ區(qū)為管體外表面環(huán)向裂縫的斷面，Ⅱ區(qū)為刺漏點(diǎn)斷口。 Ⅰ區(qū)局部斷口形貌如圖7 所示，該處在壁厚方向深度2.88 mm，約占鋼管壁厚 （t=5.2 mm） 的 1/2，斷口表面平齊，中間無明顯臺階，底部平坦。 Ⅱ區(qū)局部斷口形貌如圖8 所示，圖8 中，A 點(diǎn)靠近鋼管外表面，有明顯的金屬損失，損傷處根部尖銳，深度約為管體壁厚的1/2 以上；B 處為裂紋擴(kuò)展區(qū)，可觀察到疲勞貝紋線；C 處靠近管體內(nèi)表面，為最終斷裂區(qū)。

圖6 2#試樣斷口宏觀照片

圖7 Ⅰ區(qū)局部斷口形貌 （裂縫）

圖8 Ⅱ區(qū)局部斷口形貌 （刺漏點(diǎn)）

3 分析與討論

失效連續(xù)油管的化學(xué)成分、 拉伸性能、 硬度檢驗(yàn)結(jié)果均符合API SPEC 5ST 的要求，夾雜物等級較低，金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏，組織均勻，無異常。

失效點(diǎn)附近的鋼管表面有不規(guī)則裂縫，刺漏點(diǎn)位于兩條裂縫交叉點(diǎn)，且刺漏點(diǎn)周圍管體外表面有明顯的金屬損失，失效點(diǎn)圓周方向還有一處明顯機(jī)械磨損痕跡。

分析認(rèn)為，失效點(diǎn)及圓周方向有機(jī)械磨損，表明此處有硬物頻繁接觸史；失效點(diǎn)附近的裂縫分別沿管體縱向、 環(huán)向不規(guī)則分布，開裂面較寬，前端圓鈍，底部圓滑，不符合冷裂紋起裂擴(kuò)展特征，判斷為機(jī)械損傷；經(jīng)酸洗，裂縫面有大量的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分與油田常見腐蝕介質(zhì)相吻合，表明試樣先有機(jī)械損傷，然后經(jīng)過油田介質(zhì)腐蝕，為陳舊性裂縫；裂縫斷面比較平整，無多次擴(kuò)展跡象，判斷為一次性機(jī)械性損傷；失效點(diǎn)位于兩個裂縫的交叉點(diǎn)，由于此處鋼管壁厚減薄，且交叉點(diǎn)應(yīng)力集中較大，是鋼管最薄弱的地方，裂紋沿此處開始起裂并擴(kuò)展；斷口上有疲勞貝紋線，表明管體受循環(huán)應(yīng)力作用，最后以疲勞斷裂形式失效。

綜上所述，本次斷裂是由于連續(xù)油管受外力作用產(chǎn)生機(jī)械損傷，使管體壁厚減薄，并在裂縫交叉點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中。 連續(xù)油管在腐蝕介質(zhì)中帶壓循環(huán)作業(yè)，以應(yīng)力集中點(diǎn)為起裂源，產(chǎn)生疲勞裂紋，并向內(nèi)壁擴(kuò)展。 最終在受力面積不足以承受載荷時，發(fā)生瞬時失效——刺漏。

連續(xù)油管作業(yè)工況環(huán)境惡劣，作業(yè)中管體容易產(chǎn)生機(jī)械損傷。 機(jī)械損傷是降低連續(xù)油管使用壽命，導(dǎo)致連續(xù)油管作業(yè)失效主要原因之一[12-15]。作業(yè)中預(yù)防管體機(jī)械損傷的產(chǎn)生是提高連續(xù)油管使用壽命，降低作業(yè)風(fēng)險的關(guān)鍵。 因此，現(xiàn)場作業(yè)中應(yīng)加強(qiáng)對連續(xù)油管的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)損傷應(yīng)及時進(jìn)行修復(fù)，并且對于損傷嚴(yán)重部分應(yīng)切除后采用對接焊的形式重新連接。 此外，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)過程管理，提高操作人員技能，減少操作失誤，制定合理的作業(yè)工藝設(shè)置合理的作業(yè)安全系數(shù)，避免連續(xù)油管承受過高拉伸、 內(nèi)壓及外壓等載荷，從而降低管體損傷的發(fā)生。

4 結(jié)論及建議

（1） 失效連續(xù)油管的化學(xué)成分、 拉伸性能、硬度檢驗(yàn)結(jié)果均符合API SPEC 5ST 的要求，夾雜物等級較低，金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏，組織均勻，無異常。

（2） 連續(xù)油管刺漏失效是機(jī)械損傷和疲勞循環(huán)載荷共同作用的結(jié)果。

（3） 油田現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)過程管理和監(jiān)控，避免因操作不當(dāng)造成連續(xù)油管損傷，是防止連續(xù)油管失效，提高連續(xù)油管使用壽命的關(guān)鍵。