L80-3Cr 耐腐蝕油井管管端開(kāi)裂原因分析

夏文斌，趙映輝，黃電源

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001）

CO2/H2S 腐蝕是石油天然氣工業(yè)中常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型，隨著含CO2深井和超深井等油氣田的開(kāi)發(fā)，含H2S 腐蝕氣體的出現(xiàn)，使井下油套管面臨的服役環(huán)境更趨苛刻和復(fù)雜，因此合理選擇油井管材質(zhì)對(duì)油氣開(kāi)采項(xiàng)目的安全建設(shè)和成本的較快回收均具有重要意義［1-3］。研究和實(shí)踐情況表明，加入鉻元素可顯著提高油套管鋼抗CO2腐蝕的能力，減少局部腐蝕和點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生［4］。耐蝕合金如13Cr、超級(jí)13Cr等馬氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的抗CO2腐蝕性能，在國(guó)際上被認(rèn)為是理想的耐腐蝕選材，并在CO2含量較高的高溫高壓油氣井中的應(yīng)用不斷增加［3，5］。然而國(guó)內(nèi)油氣田大多均是貧油低滲透油氣田，采用高合金耐蝕合金成本昂貴，因此在此背景下，具有抗CO2/H2S 等酸性氣體腐蝕的L80-3Cr 經(jīng)濟(jì)型的低Cr 油井管成為國(guó)內(nèi)外研究人員的熱點(diǎn)研究課題［6-7］，不同的研究結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)型的3Cr 油井管具有良好的抗CO2腐蝕能力，在貧油低滲透油氣田中能替代昂貴的13Cr 油井管［8-12］。3Cr 油井管由于合金含量高，生產(chǎn)難度較大，生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂等失效情況。某無(wú)縫鋼管廠生產(chǎn)的Φ244.48 mm×11.99 mm 規(guī)格L80-3Cr 油井管在熱軋下線后發(fā)生批量管端開(kāi)裂現(xiàn)象?，F(xiàn)對(duì)該L80-3Cr 油井管管端開(kāi)裂的形成原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

鋼管的生產(chǎn)工藝流程為：管坯→環(huán)形爐加熱→穿孔→軋管→高壓水除鱗→減徑→冷床→鋸切頭尾→矯直→無(wú)損檢測(cè)→人工檢驗(yàn)→下線。在矯直后發(fā)現(xiàn)部分鋼管存在管端開(kāi)裂現(xiàn)象。

從不合格的鋼管上取500 mm 長(zhǎng)的含裂紋的樣管，肉眼觀察并用數(shù)碼相機(jī)拍照。將截取的樣管在裂紋處沿徑向切成小試樣，對(duì)小試樣的橫截面進(jìn)行打磨，在萊卡DM6000M 金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察，金相試樣的腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。再用JSM-6490LA 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察裂紋斷口形貌。在截取的樣管上按ASTM A 370—2013《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》加工拉伸和夏比V 型缺口沖擊試樣，并分別進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。利用LC-200R 型數(shù)字顯示洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌分析

取樣分析的L80-3Cr 開(kāi)裂鋼管的宏觀形貌如圖1 所示，通過(guò)觀察開(kāi)裂鋼管的宏觀形貌和斷口形貌可觀察到：

（1） 從鋼管整體宏觀照片上可觀察到兩條縱橫向相交的裂紋，如圖1（a）所示，根據(jù)“T 型法”分析［13］，與軸向平行的縱向裂紋為主裂紋，橫向裂紋為二次裂紋；

（2） 從樣品的斷口形貌（如圖1b 所示）可觀察到：斷面平齊，無(wú)明顯塑性變形，斷口顏色呈灰色，無(wú)金屬光澤，斷口上存在放射花樣及人字紋路，人字紋路收斂于鋼管端頭靠外表面處，通過(guò)人字紋路尖頂追溯到裂紋源所在位置［14］，即人字紋收斂處為裂紋源；

（3） 觀察裂紋源處端頭宏觀形貌（如圖1c 所示），發(fā)現(xiàn)裂紋源附近的端頭處有鋸切不順暢帶來(lái)的毛邊，毛邊處存在輕微的豁口現(xiàn)象。

圖1 L80-3Cr 油井管開(kāi)裂樣管宏觀形貌

2.2 理化性能試驗(yàn)

在所取管端缺陷試樣上和管體上分別取樣進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，L80-3Cr油井管熱軋管端和管體材料的強(qiáng)度和硬度較高，但延伸率和沖擊韌性均較差，并且管端強(qiáng)度和硬度明顯比管體的高。

表1 機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 微觀分析

從圖1（b）所示斷口宏觀照片裂紋源處取樣進(jìn)行斷口掃描和金相分析。

2.3.1 斷口掃描分析

將切下的樣品用酒精清洗后，放入掃描電鏡進(jìn)行觀察，所觀察的形貌如下：

（1） 裂紋收斂處位于鋼管端頭位置附近，裂紋源呈點(diǎn)狀形貌，裂紋源附近有鋸切時(shí)的殘留金屬并有輕微變形，裂紋源區(qū)為放射狀形貌，如圖2 所示；

圖2 裂紋源區(qū)低倍斷口

（2） 裂紋擴(kuò)展區(qū)存在明顯的“河流花樣”特征，如圖3 所示，為解理斷口，并且裂紋斷面上無(wú)氧化，未觀察到夾雜，此類(lèi)開(kāi)裂為典型應(yīng)力引起的脆性開(kāi)裂。

2.3.2 金相分析

分別對(duì)L80-3Cr 油井管管端和管體在橫截面位置磨金相試樣，并進(jìn)行金相觀察，結(jié)果分別如圖4～5 所示。該油井管管端試樣外、中、內(nèi)的金相組織為貝氏體+少量未溶解粗大碳化物顆粒，晶粒不均勻，在26～41 μm 變化，中間位置晶粒比外表面和內(nèi)表面粗大；但管體試樣的金相組織相差較大，金相組織為鐵素體+貝氏體。

圖3 裂紋源區(qū)高倍斷口

圖4 L80-3Cr 油井管管端全截面金相組織

圖5 L80-3Cr 油井管管體金相組織

2.4 殘余應(yīng)力計(jì)算

取熱軋后未回火的管環(huán)，用環(huán)切法測(cè)量其殘余應(yīng)力，L80-3Cr 油井管殘余應(yīng)力測(cè)試位置如圖6 所示，沿管環(huán)位置C 處的徑向進(jìn)行切割，殘余應(yīng)力σr計(jì)算公式［15］為：

式中 E —— 彈性模量，GPa，取200 GPa；

T —— 鋼管壁厚，mm；

C′ —— 管環(huán)沿徑向切開(kāi)后環(huán)向增加量，mm，取36 mm；

R —— 鋼管半徑，mm。

圖6 L80-3Cr 油井管殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意

將鋼管壁厚11.99 mm、半徑122.24 mm 代入公式（1），可計(jì)算出L80-3Cr 熱軋管的殘余應(yīng)力高達(dá)460 MPa，超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度的1/3。

3 分 析

宏觀分析結(jié)果表明L80-3Cr 熱軋油井管開(kāi)裂斷口為脆性斷口，裂紋起源于管端頭微小缺陷處；金相組織為脆性的貝氏體組織，晶粒粗大，且粗細(xì)不均，抗沖擊韌性低；掃描電鏡分析結(jié)果表明裂紋斷口形貌為解理脆性斷裂。綜合分析后認(rèn)為，導(dǎo)致L80-3Cr 熱軋油井管開(kāi)裂的主要原因有：

（1） 熱軋下線后L80-3Cr 管體開(kāi)裂集中發(fā)生在頭部，且在午夜時(shí)分生產(chǎn)的開(kāi)裂較多，產(chǎn)生的原因?yàn)椋汗芏祟^除鱗過(guò)程溫降較大，冷卻速度快易產(chǎn)生脆性組織；頭部為上冷床端，且周?chē)h(huán)境溫度較低，冷卻速度快易產(chǎn)生脆性組織；

（2） L80-3Cr 熱軋后管體殘余應(yīng)力較高，殘余應(yīng)力高達(dá)460 MPa，超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度的1/3，而一般情況下鋼管的殘余應(yīng)力僅為材料抗拉強(qiáng)度的1/10，不及時(shí)熱處理致使鋼管在較大殘余應(yīng)力作用下開(kāi)裂；

（3） L80-3Cr 熱軋鋼管在大冷床上冷卻時(shí)由于鋼管整體冷卻不均造成了鋼管整體彎曲度較大，鋼管在矯直過(guò)程中產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)在鋼管放置過(guò)程中釋放，并在豁口等處集中，從而導(dǎo)致管端開(kāi)裂；

（4） L80-3Cr 熱軋后管體的沖擊韌性值較低，常溫沖擊值僅12 J，即抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較差；

（5） 因鋸切不良導(dǎo)致的毛邊和輕微豁口缺陷是L80-3Cr 熱軋后管體發(fā)生脆性開(kāi)裂的裂紋源。

4 改進(jìn)措施

熱軋L80-3Cr 油井管切頭尾時(shí)因鋸切不良產(chǎn)生了豁口，應(yīng)力在豁口處集中，從而造成了應(yīng)力開(kāi)裂；并且L80-3Cr 油井管熱軋后管體內(nèi)應(yīng)力較大，且沖擊韌性較低，表明其抵抗裂紋開(kāi)裂的能力較低，這些均為L(zhǎng)80-3Cr 油井管容易開(kāi)裂的原因。因此，為避免L80-3Cr 油井管開(kāi)裂，需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行規(guī)范，具體措施為：

（1） 避免因鋼管端頭進(jìn)行水冷和風(fēng)冷等快速冷卻的方式而產(chǎn)生脆性的貝氏體組織；

（2） 加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制，避免因冷卻不均或快速冷卻以及因局部冷卻不均產(chǎn)生的彎曲；

（3） 加強(qiáng)鋸片管理制度，避免鋸切過(guò)程中出現(xiàn)摩擦力增加、鋸片過(guò)熱、管端毛邊等現(xiàn)象；

（4） 在運(yùn)輸或轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中及時(shí)檢查鋼管管端，當(dāng)管端因碰撞形成變形或尖銳的凹坑，及時(shí)對(duì)鋼管管端進(jìn)行切除或修磨處理；

（5） L80-3Cr 等熱軋后韌性較差的鋼種需24 h內(nèi)進(jìn)行熱處理。

5 結(jié) 論

（1） 所送的L80-3Cr 熱軋油井管化學(xué)成分分析結(jié)果符合技術(shù)要求；

（2） L80-3Cr 熱軋油井管開(kāi)裂是脆性開(kāi)裂，是熱軋后較大的殘余應(yīng)力在鋼管毛邊和輕微豁口處集中導(dǎo)致的；

（3） 冷速過(guò)快使端頭產(chǎn)生了大量脆性的貝氏體組織，導(dǎo)致材料的沖擊韌性值較低，即抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較差，并且熱軋后不及時(shí)熱處理，使冷速較快或冷速不均以及矯直過(guò)程中產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力在放置過(guò)程中逐漸釋放，最終導(dǎo)致L80-3Cr 鋼管熱軋后鋼管端頭出現(xiàn)批量開(kāi)裂。