油井高壓直管泄漏原因

豐振軍, 聶向暉, 許 彥, 劉迎來(lái), 李 亮, 王高峰

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院， 西安 710065; 2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司， 北京 100101)

鋼管廣泛應(yīng)用在石油和天然氣工業(yè)中，管材的質(zhì)量直接決定了其服役生產(chǎn)安全。

某油井先進(jìn)行了試壓作業(yè)，將管線壓力升至95 MPa，然后穩(wěn)壓5 min，在試壓合格后進(jìn)行注酸作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與壓裂車(chē)和彎頭相連接的高壓直管發(fā)生泄漏，泄漏直管的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1 泄漏直管的現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Site photo of leakage straight pipe

高壓直管和與其相連接的彎頭材料均為SAE 4715合金鋼，屬于非耐酸型材料，直管內(nèi)介質(zhì)的最大排量為2.8 m3·min-1，直管內(nèi)徑為69.85 mm，壓裂酸液(鹽酸、氫氟酸)的工作壓力為80～95 MPa。為查明該高壓直管泄漏的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

取泄漏的高壓直管管段，觀察其宏觀形貌，如圖2所示，可知泄漏部位靠近壓裂車(chē)與彎頭接頭的一端，其上有一條沿管體軸向分布的裂紋，裂紋長(zhǎng)度約120 mm，寬度約60 mm。此外，泄漏處管體向外鼓起，外徑明顯較直管正常部位的大，如圖3所示。垂直高壓直管軸向?qū)⒐荏w切成三段，如圖2所示，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣，然后沿平行于直管的軸向剖開(kāi)管體，清洗其內(nèi)、外表面并進(jìn)行觀察，可見(jiàn)外表面無(wú)明顯腐蝕痕跡及機(jī)械損傷；內(nèi)表面呈黃褐色，存在點(diǎn)蝕坑和均勻腐蝕現(xiàn)象，如圖4所示。此外，發(fā)現(xiàn)1號(hào)試樣內(nèi)壁的腐蝕坑底有氧化物及龜裂形貌，如圖5所示。

圖2 泄漏直管宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leakage straight pipe

圖3 直管泄漏部位宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of leakage part of the straight pipe

圖4 直管泄漏部位的內(nèi)表面形貌Fig.4 Internal surface morphology of leakage part of the straight pipe

圖5 1號(hào)試樣內(nèi)表面形貌Fig.5 Internal surface morphology of sample 1

1.2 壁厚測(cè)量

采用27-MG型超聲波測(cè)厚儀對(duì)1號(hào)試樣進(jìn)行壁厚測(cè)量，以靠近端部為起點(diǎn)取10個(gè)點(diǎn)，沿軸向向內(nèi)每間隔10 mm取點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。出廠時(shí)測(cè)量的壁厚均大于12 mm，但是從檢測(cè)結(jié)果可知該直管的實(shí)測(cè)壁厚明顯小于出廠時(shí)的。

表1 高壓直管壁厚測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of wall thickness of high pressure straight pipe mm

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)1號(hào)試樣取樣，采用ARL 4460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示,可知其化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

1.4 拉伸試驗(yàn)

在高壓直管1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣處分別沿軸向取板狀試樣，試樣寬度為19.1 mm，長(zhǎng)度為50 mm。采用UTM 5305型試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM A370-2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法及定義》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,可知其力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

表2 泄漏直管的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of leakage straight pipe (mass fraction) %

表3 高壓直管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of high pressure straight pipe

1.5 夏比沖擊試驗(yàn)

在2號(hào)試樣上取3個(gè)夏比沖擊試樣，試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm，均開(kāi)V形缺口，按照ASTM A370-2017的技術(shù)要求，在23 ℃下采用PIT302D型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，3次夏比沖擊試驗(yàn)的吸收能量分別為130，135，129 J，平均值為131 J,符合技術(shù)要求。

1.6 硬度測(cè)試

依據(jù)ASTM E92-2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求在1號(hào)試樣上取樣，并進(jìn)行98 N載荷的維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為KB 30BVZ-FA，試驗(yàn)溫度為20 ℃，硬度測(cè)試點(diǎn)如圖6所示，結(jié)果見(jiàn)表4,可知硬度符合技術(shù)要求。

圖6 1號(hào)試樣維氏硬度試驗(yàn)壓痕位置示意圖Fig.6 Diagram of the indentation position of the Vickers hardness test of sample 1

表4 1號(hào)試樣維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Vickers hardness test results of sample 1 HV10

1.7 金相檢驗(yàn)

在1號(hào)試樣上按照?qǐng)D4所示取4個(gè)金相試樣，分別編號(hào)為1A，1B，1C，1D試樣，按照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，使用MEF3A型光學(xué)顯微鏡對(duì)上述4個(gè)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

由圖7可見(jiàn),1A試樣內(nèi)壁腐蝕坑最大深度約0.7 mm，且部分腐蝕坑底可見(jiàn)灰色腐蝕產(chǎn)物；腐蝕坑底有一條橫向裂紋及一條縱向裂紋，裂紋內(nèi)均存在灰色非金屬物質(zhì)，周?chē)M織未見(jiàn)明顯的塑性變形；心部及外表面組織為回火索氏體，未見(jiàn)裂紋及折疊缺陷，晶粒度為8.5級(jí)。

圖7 1A試樣內(nèi)壁腐蝕坑底微觀形貌Fig.7 Micro morphology of corrosion pit bottom on the inner wall of sample 1A: a) surface fold; b) surface crack

1B試樣內(nèi)壁表面均被腐蝕，腐蝕坑最大深度為0.89 mm，腐蝕坑底可見(jiàn)灰色腐蝕產(chǎn)物和一條沿壁厚方向擴(kuò)展的裂紋，裂紋尖端不太類銳，推測(cè)缺陷形成于軋制管坯階段，并在軋制過(guò)程進(jìn)一步破壞了該區(qū)域組織的連續(xù)性。腐蝕坑周?chē)M織為回火索氏體+上貝氏體，明顯可見(jiàn)塑性變形；心部及另一側(cè)表面組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)，如圖8所示。

圖8 1B試樣內(nèi)壁微觀形貌Fig.8 Micro morphology on the inner wall of sample 1B: a) near surface fold and crack of corrosion pit bottom; b) corrosion pit and metal plastic deformation

1C試樣內(nèi)壁表面均被腐蝕，有2處腐蝕坑底存在裂紋，裂紋與表面呈45°夾角，裂紋筆直，周?chē)M織可見(jiàn)明顯流線變形。第1處腐蝕坑深1.21 mm，裂紋深1.2 mm；第2處腐蝕坑深1.45 mm，裂紋深1.33 mm。裂紋附近組織為回火索氏體+上貝氏體，心部及另一側(cè)表面組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)，如圖9所示。

圖9 1C試樣內(nèi)壁微觀形貌Fig.9 Micro morphology on the inner wall of sample 1C: a) near surface fold and inclusion; b) crack of corrosion pit bottom

1D試樣內(nèi)壁表面均被腐蝕，腐蝕坑最大深度為0.73 mm，腐蝕坑底可見(jiàn)灰色腐蝕產(chǎn)物。腐蝕坑周?chē)M織為回火索氏體+上貝氏體，未見(jiàn)明顯塑性變形；心部及另一側(cè)表面組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)，如圖10所示。

圖10 1D試樣內(nèi)壁微觀形貌Fig.10 Micro morphology on the inner wall of samole 1D: a) corrosion pit 1; b) corrosion pit 2

由以上金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，直管內(nèi)壁有多個(gè)起始于直管表面的裂紋，這些裂紋主要分為兩大類。一類是縫隙內(nèi)有灰色氧化物的裂紋，裂紋與外表面成一定夾角，逐漸沿壁厚方向向外壁擴(kuò)展，最大深度為1.33 mm(名義壁厚的11%)，根據(jù)以上特征判斷該類裂紋為管體表面折疊裂紋；另一類是直管表面較小的點(diǎn)蝕坑底部裂紋。

1.8 掃描電鏡及X射線能譜分析

將1號(hào)試樣的斷口清洗干凈，置于掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于直管內(nèi)表面，與直管內(nèi)表面成一定角度向外表面擴(kuò)展，如圖11所示。此外，試樣內(nèi)壁存在大量的腐蝕坑，腐蝕坑呈龜裂形貌,最大深度約1.45 mm，且部分腐蝕坑底可見(jiàn)灰色腐蝕產(chǎn)物，如圖12所示。對(duì)裂紋間隙內(nèi)的鑲嵌物和管材基體分別進(jìn)行X 射線能譜分析，如圖13和14所示，可知裂紋內(nèi)部物質(zhì)主要由鐵、碳和氧元素組成，與管材基體的成分相同，由此也可以判定起源于內(nèi)壁的裂紋為管壁內(nèi)表面折疊缺陷。

圖11 1號(hào)試樣內(nèi)壁裂紋的SEM形貌Fig.11 SEM morphology of crack on the inner wall of sample 1: a) low multiple; b) high multiple

圖12 1號(hào)試樣內(nèi)壁腐蝕坑的SEM形貌Fig.12 SEM morphology of corrosion pit on the inner wall of sample 1: a) low multiple; b) high multiple

圖13 1號(hào)試樣裂紋處X射線能譜分析位置及結(jié)果Fig.13 a) Analysis position and b) results of crack of sample 1 by X-ray energy spectrum

圖14 1號(hào)試樣基體X射線能譜分析位置及結(jié)果Fig.14 a) Analysis position and b) results of the matrix of sample 1 by X-ray energy spectrum

2 分析與討論

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，高壓直管的化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能和硬度均未見(jiàn)異常，壁厚明顯減小。

泄漏的高壓直管外表面未見(jiàn)明顯腐蝕痕跡，內(nèi)表面呈均勻腐蝕和局部腐蝕形貌，無(wú)明顯壓痕和塑性變形。表明腐蝕在內(nèi)壁發(fā)生，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，且存在折疊缺陷。

折疊是金屬在鍛軋過(guò)程中變形流動(dòng)的金屬與氧化的金屬匯合重疊在一起而形成的，通常是由于材料表面在前一道工序的生產(chǎn)中產(chǎn)生突出的尖角、耳子或凹陷(皮下氣孔、擦傷、刮傷等)等缺陷，在隨后的軋、鍛工序中被壓入金屬基體[1-5]所形成的。鍛軋時(shí)產(chǎn)生的尖角、耳子一般較薄，其冷卻速度較基體的快，易被氧化形成一層氧化皮，從而無(wú)法與基體金屬相互焊合而產(chǎn)生折疊。在鍛件截面突變處及枝杈結(jié)構(gòu)處，金屬的多向流動(dòng)導(dǎo)致鍛件易于形成折疊，由此推斷該高壓直管坯料在鍛造過(guò)程中，沒(méi)有有效清理坯料表面的氧化皮，或者坯料表面存在缺陷(疤痕、不平整、粗大的刮傷、表面缺陷等)，在后續(xù)鍛造中，坯料表面的缺陷會(huì)嵌入金屬基體內(nèi)，進(jìn)而形成折疊缺陷。折疊缺陷破壞了基體組織的連續(xù)性，雖然在加工成型初期折疊缺陷不明顯，但后續(xù)在殘余應(yīng)力和組裝約束應(yīng)力的共同作用下，折疊缺陷會(huì)產(chǎn)生裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展[6-10]。

該折疊缺陷不僅降低了高壓直管的有效承載壁厚，同時(shí)缺陷尖端又會(huì)造成此處的應(yīng)力集中，接近11%名義壁厚的裂紋深度造成高壓直管的承載能力大幅降低。另外，該高壓直管進(jìn)行過(guò)多次酸洗作業(yè)，導(dǎo)致其壁厚因腐蝕而減薄，使高壓直管的承載能力進(jìn)一步降低，管壁折疊裂紋在應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致高壓直管開(kāi)裂并發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論及建議

(1) 高壓直管內(nèi)表面存在折疊缺陷是其泄漏的主要原因；多次酸洗作業(yè)使得高壓直管的壁厚因腐蝕而明顯減薄，承壓能力降低，是造成該高壓直管泄漏的次要原因，兩者共同作用導(dǎo)致高壓直管最終泄漏。

(2) 建議合理控制鋼的冶煉、開(kāi)坯清理和管坯加熱工藝，以減少鋼管的折疊類缺陷。