某生產(chǎn)井旁通管斷裂失效分析

劉 磊* 楊 陽 羅 懿

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司）

某生產(chǎn)井于2011 年9 月投產(chǎn)，初期最高日產(chǎn)液331 桶，日產(chǎn)油量264 桶，含水率為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），井底流壓為3 826 kPa，日產(chǎn)液量逐漸降低，日產(chǎn)油量也逐漸降低至70 桶。2012 年8 月11日，井下機(jī)組故障導(dǎo)致停泵；2012 年9 月2 日泵檢修后繼續(xù)生產(chǎn)。2018 年1 月27 日，電流扭矩突然降低，電流由24 A 降至17 A，地面無返出。該井甩電泵機(jī)組及旁通管下級過程中，旁通管下端受力后瞬間斷開，斷裂失效位置分別為1#旁通管上部連接處、1#旁通管與2#旁通管連接處，旁通管連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采用宏觀分析、理化性能檢測、微觀分析等手段，分析了旁通管斷裂失效的主要原因。

圖1 旁通管連接結(jié)構(gòu)圖

1 試驗(yàn)儀器

使用GE DM5E 超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測量，使用Observer A1m 金相倒置顯微鏡進(jìn)行金相組織進(jìn)行觀察，使用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀對管材的化學(xué)成分進(jìn)行分析，使用Z600 雙立柱萬能材料試驗(yàn)機(jī)和R574 洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對管材的力學(xué)性能進(jìn)行分析，使用Zeiss EVO 18 掃描電鏡對管道斷口的形貌進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷口形貌分析

圖2 為1#旁通管的斷口形貌。由圖2 可知，管道斷裂位置在螺紋根部第1～2 牙處，該旁通管斷口具有疲勞斷裂的特征，整個(gè)斷口可分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)分布在斷口的一側(cè)，沿管道周向分布但不在同一平面上，擴(kuò)展形成許多徑向臺階，其長度約為5 mm，占旁通管周長的比例較小，且疲勞源內(nèi)外壁位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑，斷口處具有明顯的金屬光澤。裂紋擴(kuò)展區(qū)所占旁通管周長比例最大，其向瞬斷區(qū)過渡的部分未見明顯的徑向臺階，沿螺紋第1 牙向第2 牙擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展處靠近旁通管外壁，并在旁通管的瞬斷區(qū)留有剪切唇。瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)相鄰，剪切狀斷口與軸向呈45°，裂紋由裂紋源處沿一側(cè)管壁快速擴(kuò)展，最終使旁通管斷裂。

由圖3 可知，斷裂位置在螺紋尾部第1～2 牙處，由于該部分?jǐn)嗫谄茡p較嚴(yán)重，故只針對另一部分?jǐn)嗫冢?#旁通管母扣內(nèi)斷裂殘留部分）進(jìn)行分析，該旁通管斷口同樣具有疲勞斷裂的特征，整個(gè)斷口可分為疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。

圖3 1#旁通管公扣斷口形貌

疲勞源區(qū)分布比較集中，且疲勞源內(nèi)外壁位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑，斷口處具有明顯的金屬光澤。裂紋擴(kuò)展區(qū)所占旁通管周長比例最大，其向瞬斷區(qū)過渡的部分未見明顯的徑向臺階，但可見裂紋快速擴(kuò)展形成的人字形裂紋沿螺紋第1 牙向第2 牙擴(kuò)展，并在旁通管的瞬斷區(qū)留有剪切唇。瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)相鄰，裂紋由裂紋源處沿一側(cè)管壁快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致旁通管斷裂。

2.2 螺紋尺寸測量

通過尺寸測量可知，1#旁通管管端加工區(qū)域總長度為50.05 mm，中間螺紋區(qū)域共有8 牙，牙間距約為3 mm，管端部預(yù)留9.18 mm 無螺紋區(qū)域，螺紋根部也預(yù)留了約4～6 mm。2#旁通管端加工區(qū)域總長度為50.12 mm，中間螺紋區(qū)域共有8 牙，牙間距約為3 mm，管端部預(yù)留無螺紋距離約為9.12 mm，螺紋根部也預(yù)留了約4～6 mm。

根據(jù)公扣、母扣的測量數(shù)據(jù)可知，兩者呈無間隔連接，但由于公扣、母扣端部均有大于9 mm 的預(yù)留區(qū)域，而對應(yīng)位置的母扣、公扣螺紋根部預(yù)留長度卻只有4～6 mm，故該部分螺紋不能嚙合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證完整公母扣之間的嚙合情況，對其進(jìn)行了模擬連接，如圖4 中箭頭所示，第1～2 牙是旁通管公扣、母扣螺紋尾部第一個(gè)嚙合的螺紋牙，與公扣、母扣的斷裂位置吻合。

圖4 旁通管螺紋公母扣連接情況

2.3 管體壁厚檢測

對1#和2#旁通管外壁及內(nèi)壁附著物進(jìn)行清洗，然后選取有代表性的不同位置進(jìn)行測量，測量方向分別選取3 點(diǎn)，6 點(diǎn)，9 點(diǎn)及12 點(diǎn)。

剩余壁厚測試結(jié)果可見表1。由剩余壁厚值可以看出，旁通管的周向剩余壁厚（包括公扣、母扣的螺紋位置）相差較小，說明該旁通管在服役過程中未發(fā)生明顯的局部腐蝕，整體呈現(xiàn)均勻減薄。

表1 剩余壁厚超聲波測量值 mm

2.4 金相分析

分別從1#，2#旁通管管體上取樣，按照API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行材料理化性能檢測。圖5 和圖6 分別為1#和2#旁通管管體的金相顯微組織。檢測結(jié)果表明，2 個(gè)樣本的顯微組織均為回火索氏體，內(nèi)壁有脫碳現(xiàn)象[1]，晶粒度均為9.5 級。

圖7 為1#旁通管公扣和母扣的螺紋位置的金相顯微組織。由圖7 可知，螺紋組織與管體組織基本相同，無明顯差異。

圖5 1#旁通管管體顯微組織

圖6 2#旁通管管體顯微組織

圖7 1#旁通管公扣和母扣里微組織

2.5 化學(xué)成分分析

1#及2#旁通管管體試樣的化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果可見表2。結(jié)果表明，2 個(gè)旁通管的化學(xué)分成符合訂貨技術(shù)要求。

表2 1#及2#旁通管化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.6 力學(xué)性能分析

2.6.1 拉伸性能

1#，2#旁通管管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見表3，取樣位置為圖8 中L90 處。結(jié)果表明，2 個(gè)旁通管拉伸性能符合訂貨技術(shù)要求。

表3 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

圖8 拉伸試驗(yàn)取樣位置

2.6.2 洛氏硬度

1#及2#旁通管管體試樣硬度試驗(yàn)結(jié)果可見表5，旁通管洛氏硬底試驗(yàn)壓痕位置可見圖9。結(jié)果表明，2 個(gè)旁通管硬度符合訂貨技術(shù)要求。

表5 1#及2#旁通管管體洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果（HRC）

圖9 旁通管管體洛氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意圖

2.7 微觀分析

分別取1#，2#旁通管公扣、母扣的斷口進(jìn)行清洗、烘干，并進(jìn)行微觀形貌分析， 4 個(gè)樣品分別記為A，B，C，D，如圖10 所示。

圖10 微觀形貌分析樣品

1#旁通管母扣斷口（樣品B）的微觀典型形貌如圖11 所示。裂紋源區(qū)表面凹凸不平，韌性斷口呈貝殼狀，而且斷裂位置的螺紋根部存在裂紋，平行于螺紋延伸方向。

圖11 1#旁通管母扣裂紋源區(qū)微觀形貌

裂紋源區(qū)首先失效，然后裂紋經(jīng)過擴(kuò)展區(qū)，如圖12 所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌較為平整，擴(kuò)展方向與螺紋延伸方向平行。從圖12 中可以看出，擴(kuò)展區(qū)存在裂紋擴(kuò)展過程中留下的類似于流水的跡象，且部分?jǐn)嗔盐恢玫穆菁y根部也存在裂紋。

圖12 1#旁通管母扣擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

裂紋沿螺紋延伸方向從根部第1 牙擴(kuò)展到第2牙，再次回到裂紋源區(qū)附近，導(dǎo)致管道不堪受力而發(fā)生瞬斷。圖13 為1#旁通管母扣瞬斷區(qū)的斷口形貌，脆性斷口約45°傾斜，斷口從根部第2 牙延伸到根部第1 牙裂紋源區(qū)，至此，油管周向全部斷裂。

圖13 1#旁通管母扣瞬斷區(qū)微觀形貌

分別對2#旁通管的公扣、母扣（樣品C，D）螺紋牙進(jìn)行檢驗(yàn)排查，未發(fā)現(xiàn)螺紋牙根部存在裂紋，具體可見圖14～圖15。

圖14 2#旁通管公扣微觀形貌

圖15 2#旁通管母扣微觀形貌

3 斷裂原因分析

由旁通管連接結(jié)構(gòu)可知，1#旁通管與泵機(jī)組距離最近，在機(jī)組工作過程中受到較大的震動(dòng)作用。且對于旁通管來說，油管螺紋部位截面較小，承受著比油管管體更大的應(yīng)力。從幾何形狀上來看，螺紋根部為“缺口”，部位應(yīng)力較為集中。同時(shí)鉆井生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的井斜會(huì)使油管及其螺紋段承受彎曲應(yīng)力，故1#旁通管螺紋位置較易發(fā)生疲勞失效。此外，脫碳層會(huì)導(dǎo)致螺栓表面材料弱化，大幅降低其疲勞強(qiáng)度。因此1#旁通管材料表層脫碳也是導(dǎo)致斷裂的原因之一。

另外，根據(jù)螺紋連接現(xiàn)狀可知，旁通管螺紋連接部位并未完全嚙合，而處于一種懸臂梁狀態(tài)，使得靠近油管螺紋尾部的第1，2 牙處應(yīng)力值最高，故疲勞斷裂的裂紋源較大概率發(fā)生在1#旁通管的公扣與母扣旋合的第1，2 牙的齒根處。

旁通管下放遇阻時(shí)，受到瞬間強(qiáng)應(yīng)力作用，裂紋從旁通管的裂紋源開始擴(kuò)展，旁通管管壁（裂紋源區(qū)處）局部先開裂，然后裂紋在持續(xù)應(yīng)力的作用下從裂紋源區(qū)沿管壁一側(cè)螺紋延伸方向快速擴(kuò)展，周向到達(dá)裂紋源附近，最后使油管完全斷開。

4 結(jié)論

對生產(chǎn)井旁通管進(jìn)行分析后得到以下結(jié)論：

（1）旁通管材質(zhì)符合L80 鋼的技術(shù)要求；

（2） 1#旁通管的公扣與母扣旋合的第1，2 牙的齒根處在服役過程中產(chǎn)生了疲勞裂紋源；

（3）旁通管下放遇阻時(shí)，其受到瞬間強(qiáng)應(yīng)力作用，裂紋開始擴(kuò)展，最終使油管完全斷開。

針對旁通管斷裂原因，提出了以下建議：

（1）改變旁通管和電潛泵的連接方式，或降低電潛泵的運(yùn)行頻率，以減輕震動(dòng)；

（2）在機(jī)組檢修更換過程中，應(yīng)對油管螺紋進(jìn)行檢測；

（3）旁通管起井下井時(shí)，應(yīng)避免使管體受到強(qiáng)應(yīng)力作用而造成損傷。