國外130ksi 鋼級連續(xù)管斷裂失效分析*

李小龍， 趙 簽， 鮮林云， 李鴻斌，劉玉棟， 王新宇

（1. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008；2. 新疆石油管理局工程技術(shù)公司， 新疆 克拉瑪依834000）

0 前 言

連續(xù)管由于其成本低、 占地面積小、 使用方便、 安全系數(shù)高、 作業(yè)周期短、 可帶壓作業(yè)等一系列優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于油氣田修井、 鉆井、 完井、 測井、 傳輸射孔、 分段壓裂、 鉆磨橋塞等作業(yè)中[1-3]， 在油氣田勘探與開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用[4-5]。

近年來， 隨著我國能源戰(zhàn)略持續(xù)推進， 國內(nèi)深井、 超深井的數(shù)量和最大深度記錄逐年攀升，深層油氣資源占比日益增大[6-7]； 同時， 大量高含H2S、 CO2、 高礦化度的油氣井開發(fā)日益普遍[8-11]，腐蝕工況日益苛刻， 連續(xù)管的服役環(huán)境越來越惡劣， 導(dǎo)致連續(xù)管失效事故多發(fā)[12-14]。 本研究以國外某廠家生產(chǎn)的130ksi 鋼級Φ44.5 mm×3.68 mm失效連續(xù)管為研究對象， 對其剩余力學(xué)性能、 金相組織、 疲勞斷口形貌及耐蝕性能進行檢測， 分析該連續(xù)管斷裂失效原因， 以期提高連續(xù)管使用壽命， 減少失效事故的發(fā)生， 為油氣田連續(xù)管作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 組織及力學(xué)性能檢測

國外某廠家生產(chǎn)的130ksi 鋼級Φ44.5 mm×3.68 mm 連續(xù)管， 在新疆某含H2S 井中進行酸化壓裂作業(yè)時， 起下兩次后連續(xù)管在纏繞至卷筒上時發(fā)生了斷裂失效，

1.1 剩余壁厚檢測

在130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近截取樣管進行幾何尺寸測量， 測量位置如圖1 所示， A-C、B-D 為圖1 中選取的5 個截面上沿環(huán)向均勻間隔測量的兩個值， 檢測結(jié)果見表1。

圖1 樣管幾何尺寸檢測位置

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由表1 可知， 檢測結(jié)果滿足API SPEC 5ST—2010 要求， 管材無外徑減小及壁厚減薄情況發(fā)生。

表1 樣管幾何尺寸檢測結(jié)果

1.2 整管拉伸性能

在130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近截取450 mm的試樣， 采用新三思CMT5101 電子萬能拉伸試驗機， 依據(jù)ASTM E8—2016 標準對所取連續(xù)管進行整管拉伸試驗， 拉伸結(jié)果見表2。

表2 失效管段拉伸試驗結(jié)果

由表2 可以看出， 與出廠連續(xù)管相比， 失效管段抗拉強度與延伸率均無明顯變化， 但是其屈服強度大幅下降， 甚至比設(shè)計值降低93 MPa。這主要是由于包辛格效應(yīng)， 卷曲后的連續(xù)管和未卷曲的連續(xù)管相比， 屈服強度會下降5%～10%；再加上連續(xù)管在復(fù)雜的井下環(huán)境中服役， 受到拉、 壓、 扭轉(zhuǎn)、 彎曲疲勞以及腐蝕等共同作用而導(dǎo)致的。 屈服強度大幅下降后， 會導(dǎo)致管材承受載荷的能力下降， 降低管材的下入深度以及管材的抗擠毀壓力[15]， 而該盤連續(xù)管在作業(yè)過程中下井深度以及自重及連接的工具串載荷不變， 增加了管材失效的風險。

1.3 擴口、 壓扁試驗

將斷口附近連續(xù)管加工成Φ44.5 mm×100 mm樣管， 對焊縫位置分別進行0°、 90°壓扁試驗，試驗平板間距為37.8 mm （0.85D）。 經(jīng)檢驗， 試樣均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

將斷口附近連續(xù)管加工成Φ44.5 mm×100 mm樣管， 利用錐度為60°的頂芯對樣管進行擴口試驗， 擴口率21%。 經(jīng)檢驗， 試樣擴口端未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。 由檢測結(jié)果可知， 已服役的國外連續(xù)管依舊具有較好的塑性。

1.4 金相組織及硬度檢測

在130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近母材及焊縫處取9 mm×18 mm 標準試樣， 采用DMI5000M金相顯微鏡進行觀察， 金相組織如圖2 和圖3所示。 采用DurScan-70 硬度計檢測其硬度值，結(jié)果見表3 和表4。

圖2 連續(xù)管母材金相組織

圖3 連續(xù)管焊縫金相組織

表3 130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近焊縫試樣硬度檢測結(jié)果

表4 130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近母材試樣硬度檢測結(jié)果

由金相組織觀察及硬度檢測結(jié)果可知， 已服役國外連續(xù)管焊縫及母材組織均勻， 硬度也滿足設(shè)計要求。

1.5 疲勞性能檢測及分析

連續(xù)管疲勞性能是影響連續(xù)管服役的一個非常關(guān)鍵的指標， 為了確定已服役130ksi 鋼級連續(xù)管的疲勞壽命， 取樣進行疲勞試驗， 彎模半徑1 828.8 mm， 內(nèi)壓34.47 MPa。 檢測結(jié)果見表5。

表5 已服役連續(xù)管疲勞性能檢測結(jié)果

由表5 可知， 該連續(xù)管疲勞性能整體較好， 但當焊縫處于壓縮面時， 疲勞性能不穩(wěn)定， 波動較大。 取疲勞次數(shù)較低的PL-6 疲勞斷口進行SEM 和EDS 分析， 結(jié)果分別如圖4和圖5 所示。

由圖4 和圖5 可以看出， 起裂源位于連續(xù)管內(nèi)壁， 隨著疲勞次數(shù)的增加， 裂紋由內(nèi)向外擴展且擴展速率逐漸增大； 同時， 起裂區(qū)有大量的Al、 Si、 O 等元素組成的夾雜物， 相鄰夾雜物形成的微裂紋不斷擴展形成了更大的裂紋， 進一步加速了管材斷裂。

圖4 PL-6 疲勞斷口SEM 形貌

圖5 PL-6 疲勞斷口能譜分析結(jié)果

2 耐蝕試驗及分析

2.1 中性鹽霧試驗

依據(jù)GB/T 10125—2012 《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》， 在型號為CC450XP 的循壞腐蝕試驗箱中進行中性鹽霧試驗。 在130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近取樣， 試樣規(guī)格為150 mm×100 mm×1 mm， 經(jīng)砂紙打磨后測量其表面積，先后用蒸餾水、 無水乙醇清洗去污， 干燥后稱重。 所用腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl 溶液， 試驗時間12～60 h， 試驗溫度35 ℃， 試驗過程中分別在0.5 h、 1 h、 2 h、 4 h、 8 h、 12 h、24 h、 36 h、 48 h 和60 h 時 取 出 試 樣， 觀 察其表面形貌并拍照。 試驗完成后取出試樣， 采用去膜液清洗試樣表面腐蝕產(chǎn)物， 干燥至恒重后測量質(zhì)量， 并計算平均腐蝕速率， 腐蝕速率計算公式為

式中： v——腐蝕速率， g/（m2·h）；

m1、 m2——分別為測試前、 后試樣質(zhì)量， g；

A——試樣表面積， m2；

t——試驗時間， h。

鹽霧試驗腐蝕速率隨時間的變化規(guī)律如圖6所示， 不同時間段鹽霧試驗試樣腐蝕宏觀形貌如圖7 所示。

由圖6 和圖7 可以看出， 隨著試驗時間的增加， 試樣表面銹蝕越來越嚴重， 試樣的腐蝕速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 在試驗進行到24 h時， 腐蝕速率達到最大， 而后有所減小， 主要是由于腐蝕24 h 后， 試樣表面形成了一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜， 該膜起到了覆蓋屏蔽作用， 阻止了腐蝕介質(zhì)與金屬基體的接觸， 從而減緩了腐蝕速率。

圖6 鹽霧試驗腐蝕速率隨時間的變化規(guī)律

圖7 不同時間段鹽霧試驗腐蝕試樣宏觀形貌

2.2 HIC 試驗

依據(jù)NACE TM 0284—2011 《管道和壓力容器耐氫致破裂的性能評價》， 在飽和H2S+A溶液 （5%NaCl+0.5%CH3COOH） 中對130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近所取的試樣進行抗HIC 性能測試， 試樣規(guī)格為100 mm×20 mm×3 mm， 試驗時間96 h。 試驗完成取出試樣， 觀察其表面形貌并拍照， HIC 試驗后試樣宏觀形貌如圖8所示， 將試樣切割拋光后在100 倍顯微鏡下觀察其剖面， 未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖8 HIC 試驗后試樣宏觀形貌

2.3 SSCC 試驗

依據(jù)NACE TM 0177—2016 《金屬在硫化氫環(huán)境中抗應(yīng)力腐蝕開裂試驗》， 在飽和H2S+A 溶液（5%NaCl+0.5%CH3COOH） 中對130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近所取的試樣進行抗SSCC 性能測試，試樣規(guī)格110 mm×15 mm×3 mm， 試驗時間720 h。試驗完成后取出試樣觀察其表面形貌， 其宏觀形貌如圖9 所示。 圖9 中1#試樣加載力為名義屈服強度的85%， 2#試樣加載力為名義屈服強度的80%。 試驗完成后可以看到試樣表面形成了一層保護膜， 這是由于H2S 在水溶液中電離出的S2-與溶液中Fe2+結(jié)合形成FeS 沉積在金屬表面所致。 1#試驗的3 個平行試樣中的其中1 個在金相顯微鏡下放大10 倍后可觀察到特別微小的裂紋， 但試樣未發(fā)生斷裂； 2#試樣未出現(xiàn)裂紋或斷裂。

圖9 不同加載力SSCC 試驗后試樣宏觀形貌

3 結(jié) 論

（1） 國外130ksi 鋼級Φ44.5 mm×3.68 mm 連續(xù)管斷口附近外徑和壁厚均滿足API SPEC 5ST標準要求。

（2） 在含H2S 井中服役后的130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近屈服強度大幅下降， 甚至低于設(shè)計值。 屈服強度的降低會導(dǎo)致管材承受載荷的能力下降， 會降低管材的下入深度， 減小管材使用的安全系數(shù)， 是造成管材斷裂的一個重要原因。

（3） 國外130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近母材及焊縫硬度值均小于設(shè)計要求， 無硬度超標現(xiàn)象。

（4） 130ksi 鋼級連續(xù)管斷口附近焊縫處于壓縮面時疲勞次數(shù)為179～320 次， 波動較大。 通過對疲勞斷口進行SEM 分析， 發(fā)現(xiàn)起裂區(qū)有大量的夾雜物， 夾雜物的存在會造成應(yīng)力集中而易形成微裂紋， 導(dǎo)致疲勞強度降低。

（5） HIC、 SSCC 試驗后， 部分試樣出現(xiàn)極微小的裂紋， 但是未發(fā)生斷裂， 試驗結(jié)果為合格； 鹽霧試驗結(jié)果表明， 該連續(xù)管在中性鹽霧試驗中腐蝕很嚴重， 試樣的腐蝕速率隨著時間的增加而先增大后減小， 減小原因主要是由于試驗后期試樣表面的腐蝕產(chǎn)物起到了覆蓋屏蔽作用， 阻止了腐蝕介質(zhì)與金屬基體的接觸， 從而減緩了腐蝕速率。

（6） 該連續(xù)管在含H2S 井中服役后， 存在強度下降嚴重、 疲勞斷口起裂區(qū)有大量夾雜物、 腐蝕較嚴重等問題， 在新疆該區(qū)塊環(huán)境下使用有較大風險， 應(yīng)謹慎選擇。