某井S135鋼級鉆桿腐蝕失效原因

陳 猛，歐陽志英，余世杰

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

0 引 言

一批新鉆桿在某井中累計鉆進(jìn)約2 395 m，鉆進(jìn)時間約1 380 h時發(fā)生腐蝕失效。鉆井液為氯化鉀聚磺水基溶液，pH為9.5。鉆桿起鉆后拉回基地做定期檢測(漏磁探傷和人工復(fù)檢)，發(fā)現(xiàn)部分鉆桿內(nèi)壁存在較深的腐蝕坑，主要集中在內(nèi)壁加厚過渡帶區(qū)域，并且個別腐蝕坑存在裂紋。失效鉆桿材料為S135級調(diào)質(zhì)鋼，規(guī)格為φ139.7 mm×9.17 mm，管端加厚形式為內(nèi)外加厚(IEU)，接頭形式為5″FH雙臺肩，鉆桿內(nèi)壁無防腐涂層。為找到鉆桿發(fā)生腐蝕失效的原因，作者對其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

圖1 失效鉆桿內(nèi)壁宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of failed drill pipe inner wall

圖2 點蝕坑宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of pits

由圖1可以看出，失效鉆桿內(nèi)壁腐蝕較為嚴(yán)重且以點蝕為主，表面存在大小、深淺不一的點蝕坑，點蝕坑區(qū)域存在黑色腐蝕產(chǎn)物。采用漏磁探傷和人工復(fù)檢進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁加厚過渡帶區(qū)域的點蝕坑較為密集且較深，如圖2所示，部分點蝕坑深度約0.63 mm，推算其腐蝕速率約2.19 mm·a-1。根據(jù)文獻(xiàn)[1]和SY/T0087-1995，該鉆桿發(fā)生了極嚴(yán)重的腐蝕。

采用工業(yè)鹽酸將失效鉆桿熱蝕1 h[2]后，點蝕坑更明顯，且點蝕坑區(qū)域可見明顯的裂紋(矩形區(qū)域)，裂紋整體較為平直，呈周向擴展，長度在鉆桿壁厚的80%以上，如圖3所示。根據(jù)DS-1，該鉆桿達(dá)到報廢標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 失效鉆桿熱蝕1 h后的宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of failed drill pipe after hot corrosion 1 h

1.2 微觀形貌

在點蝕坑區(qū)域截取尺寸為40 mm×15 mm×19.5 mm的金相試樣，磨拋后在GX51型倒置光學(xué)顯微鏡下觀察縱截面形貌。由圖4可以看出，點蝕坑區(qū)域的黑色腐蝕產(chǎn)物厚度約100 μm，裂紋萌生于點蝕坑底部，垂直于鉆桿軸向擴展，長度約3.5 mm，裂紋尖端較細(xì)。

圖4 點蝕坑區(qū)域的縱截面形貌Fig.4 Longitudinal section morphology of pitting pit area: (a) pits and (b) crack tip

圖5 失效鉆桿內(nèi)壁表面點蝕坑的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of pits on surface of failed drill pipe inner wall: (a) low magnification and (b) high magnification

在失效鉆桿點蝕坑區(qū)域截取尺寸為40 mm×40 mmX19.5 mm的塊狀試樣，用丙酮超聲清洗后在TESCAN VEGA II XMH型掃描電鏡(SEM)下觀察微觀形貌。由圖5可以看出：腐蝕產(chǎn)物部分剝落，結(jié)構(gòu)不致密，點蝕坑底部的裂紋呈網(wǎng)狀；點蝕坑附近的金屬也發(fā)生了腐蝕，呈皺皮狀。

1.3 化學(xué)成分

采用ARL 4460 OES型直讀光譜儀測試失效鉆桿的化學(xué)成分。由表1可以看出，該鉆桿的化學(xué)成分符合API Spec 5DP-2009要求。

1.4 顯微組織

在失效鉆桿非點蝕坑和點蝕坑底部裂紋附近區(qū)域分別截取尺寸為30 mm×15 mmX19.5 mm和40 mm×15 mmX19.5 mm的金相試樣，經(jīng)磨拋，采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在GX51型倒置光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。根據(jù)GB/T 13298-2015，對拋光態(tài)夾雜物和晶粒度進(jìn)行評級，得到A類夾雜物(硫化物類)、B類夾雜物(氧化鋁)、D類夾雜物(球化氧化物)級別分別為0.5，1.0，0.5級，晶粒度為9.0級，符合APISpec 5DP-2009要求。由圖6可以看出，非點蝕坑和裂紋兩側(cè)區(qū)域組織均為回火索氏體，無異常組織。

表1 失效鉆桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖6 失效鉆桿的顯微組織Fig.6 Microstructure of failed drill pipe: (a) non-pitting area and (b) near crack

1.5 硬 度

在失效鉆桿腐蝕程度較輕的區(qū)域截取尺寸為120 mm×15 mmX19.5 mm的塊狀試樣，采用600MRD型數(shù)顯洛氏硬度計測試表面硬度，測12個點取平均值。失效鉆桿的平均硬度為35.1 HRC，符合API Spec 5DP-2009要求(不超過37 HRC)。

1.6 腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析

由圖7和圖8可以看出，腐蝕產(chǎn)物主要組成元素為鐵、氧、碳，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52.27%，33.80%，6.20%，此外還含有少量的硫、氯、鉻，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.13%，0.76%，4.83%。

圖7 點蝕坑內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物的EDS測試位置Fig.7 EDS test position of corrosion products inside pits

圖8 腐蝕產(chǎn)物的EDS譜Fig.8 EDS spectrum of corrosion product

1.7 斷口形貌

將裂紋用機械方式打開，采用TESCAN VEGA II XMH型掃描電鏡觀察斷口形貌。由圖9可以看出：整個斷口較平整，表面被黑色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕嚴(yán)重；靠近裂紋尖端出現(xiàn)貝殼紋狀弧線(箭頭所示)，裂紋尖端處存在疲勞輝紋，表明該腐蝕坑底部的裂紋擴展為疲勞擴展，該鉆桿失效類型為腐蝕疲勞失效[3-4]。

2 裂紋產(chǎn)生原因

鉆桿的腐蝕與鉆桿自身的化學(xué)成分和組織形貌以及服役環(huán)境有關(guān)。由上述理化檢驗結(jié)果可知，失效鉆桿的化學(xué)成分、顯微組織和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此外界環(huán)境導(dǎo)致鉆桿發(fā)生早期腐蝕失效的可能性更大。在服役過程中，鉆井液中O2、CO2、Cl-含量，泵壓，鉆井液pH，鉆桿轉(zhuǎn)速均會對鉆桿的腐蝕產(chǎn)生較大影響[5-6]，同時，內(nèi)壁加厚過渡段存在應(yīng)力集中，在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力集中的作用下，點蝕坑底部容易萌生疲勞裂紋并擴展，最終導(dǎo)致腐蝕疲勞失效[7-8]。

圖9 斷口SEM形貌Fig.9 SEM morphology of fracture: (a) overall morphology; (b) near crack tip and (c) crack tip

鉆桿表面腐蝕產(chǎn)物以鐵、氧、碳元素為主，同時還含有一定量的氯、硫、鉻等元素，推測腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和Fe3O4。雖然鉆井液會溶解一定量的CO2，但由于CO2的腐蝕過程為析氫反應(yīng)，而鉆井液的pH為9.5，整體呈堿性，因此排除CO2腐蝕的可能性。鉆桿失效時鉆進(jìn)約2 395 m，還未鉆進(jìn)目的層，且點蝕集中在加厚過渡帶區(qū)域，多處點蝕坑底部存在裂紋，長度超過鉆桿壁厚的80%，但未發(fā)生斷裂，因此排除硫化物應(yīng)力腐蝕的可能性[9-10]。

鉆井液中存在游離態(tài)氧，在鉆桿表面極易發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)如下：

陽極： Fe→Fe2++2e

(1)

陰極： O2+2H2O+4e→4OH-

(2)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

(4)

Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O

(5)

可以看出，氧會加速腐蝕的進(jìn)行。

鉆桿內(nèi)壁無防腐涂層，直接與鉆井液接觸，在鉆井過程中，單位面積內(nèi)壁接觸到的氧含量較外壁的多，同時內(nèi)壁氧腐蝕的進(jìn)行使單位體積鉆井液中的氧含量下降，流動到外壁的氧減少。鉆井液在內(nèi)壁加厚過渡帶區(qū)域容易形成渦流，渦流中的氧與該區(qū)域充分接觸，因此該區(qū)域極易發(fā)生氧腐蝕，產(chǎn)生點蝕坑；鉆桿在承受交變載荷作用時，內(nèi)壁加厚過渡段存在應(yīng)力集中，表面腐蝕產(chǎn)物膜會被破壞，腐蝕介質(zhì)直接與基體接觸使氧腐蝕進(jìn)一步加劇，腐蝕坑擴展并加深，嚴(yán)重的區(qū)域底部還會萌生小裂紋。推斷該鉆桿的腐蝕主要是由氧腐蝕引起[11]。鉆桿內(nèi)壁的氧含量偏高及加厚過渡帶區(qū)域存在應(yīng)力集中是導(dǎo)致加厚過渡帶區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重點蝕，萌生疲勞裂紋的原因[12-14]。

鉆桿所處的環(huán)境中含有Cl-，Cl-能誘發(fā)并加速鉆桿的點蝕。研究[15-16]表明：環(huán)境中的活性Cl-會優(yōu)先吸附在鋼管內(nèi)表面的缺陷(非金屬夾雜物或砂眼等)處，誘發(fā)局部腐蝕，同時會改變鋼管內(nèi)表面鈍化膜的組織結(jié)構(gòu)，并加速鈍化膜溶解；尺寸較小的Cl-極易穿過垢層的疏松區(qū)域或缺陷處到達(dá)金屬表面，造成垢下腐蝕，甚至導(dǎo)致管材穿孔。因此，環(huán)境中Cl-含量增加時，碳鋼的點蝕速率加快。該失效鉆桿的點蝕坑底部腐蝕產(chǎn)物中，氯元素含量較高，達(dá)2.78%，是導(dǎo)致鉆桿點蝕速率較快、點蝕坑較深(部分深度達(dá)0.63 mm)的原因。

加厚過渡帶區(qū)域為結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域，點蝕坑的存在使該區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)一步集中[17]，從而在部分較大點蝕坑底部萌生疲勞裂紋并快速擴展，導(dǎo)致失效。

3 結(jié)論及措施

(1) 該鉆桿的失效為腐蝕疲勞失效，鉆桿內(nèi)壁的氧含量偏高及內(nèi)壁加厚過渡帶區(qū)域存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致加厚過渡帶區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重點蝕，點蝕坑底部萌生疲勞裂紋并擴展，最終失效。

(2) 為避免類似事故的發(fā)生，建議使用內(nèi)壁帶防腐涂層的鉆桿，減少內(nèi)壁的溶解氧；在鉆井液中添加緩蝕劑，降低溶解氧對內(nèi)壁的腐蝕作用；通過添加緩蝕劑減少鉆桿服役環(huán)境中的氧含量；通過優(yōu)化井深結(jié)構(gòu)減緩內(nèi)壁加厚過渡帶區(qū)域的應(yīng)力集中。