某N80 油管接箍腐蝕斷裂失效分析*

近年來， 更深油氣田、 低壓低滲透、 海洋油氣、 非常規(guī)油氣等已成為我國(guó)油氣未來開發(fā)的主題， 管材及管螺紋失效事故越來越多， 在頁(yè)巖氣開采過程中， 含有鹵化物、 碳?xì)浠衔镆约暗貙游⑸锏鹊淖⑷肓黧w會(huì)隨著壓力的釋放而返排至地面

， 包括返排液和產(chǎn)出水

。 其中產(chǎn)出水具有液量大、 成分復(fù)雜、 污染物濃度高和礦化度高的特點(diǎn)

。 這一期間井流物中的腐蝕介質(zhì) （CO

、H

S、 溶解氧及微生物） 等， 會(huì)導(dǎo)致井下管柱內(nèi)外壁產(chǎn)生局部腐蝕減薄、 穿孔， 甚至失穩(wěn)斷裂

， 因此油管腐蝕失效問題的研究對(duì)于井下管柱失效的防護(hù)以及生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 接箍服役及開裂狀況

2021 年4 月， 西部某油田Y 井因日產(chǎn)氣下降， 在進(jìn)行上提油管掛時(shí)發(fā)現(xiàn)Φ60.32 mm×4.83 mm N80 EU 油管接箍發(fā)生橫向斷裂， 如圖1 所示。本研究通過理化性能分析、 斷口分析、 腐蝕產(chǎn)物分析以及有限元模擬對(duì)該斷裂接箍進(jìn)行了失效分析， 為避免或減少同類型腐蝕失效提出了合理可行的建議。

由2位高年資病理科醫(yī)師進(jìn)行雙盲閱片。以PBS替代一抗作為陰性對(duì)照，用已知陽(yáng)性切片作為陽(yáng)性對(duì)照。具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)根據(jù)染色程度進(jìn)行評(píng)分：無染色為0分，弱染色為1分，中染色為2分，強(qiáng)染色為3分；(2)根據(jù)著色細(xì)胞百分率進(jìn)行評(píng)分：<5%為0分，5%～25%為1分，>25%～50%為2分，>50%～75%為3分，>75%為4分。(1)和(2)相加為總積分，總分為0～7分，0分為陰性(-)，1～2分為弱陽(yáng)性(+)，3～5分為陽(yáng)性(++)，6～7分為強(qiáng)陽(yáng)性(+++)[9]。

談起自動(dòng)變速器油路故障的診斷，維修人員首先想到的往往會(huì)是閥體，也就是變速器的液壓控制模塊。很多沒有系統(tǒng)維修體系的小型修理廠遇到換擋問題會(huì)試圖通過更換閥體來解決，但是所更換的閥體又常常是二手的，并不能保證閥體的可靠性，因此維修一個(gè)變速器常需要更換多次閥體，有時(shí)問題依然會(huì)存在，且每次的癥狀會(huì)不盡相同，這樣就導(dǎo)致其維修時(shí)間長(zhǎng)，成本高，而維修質(zhì)量又參差不齊了。

西部某油田Y 井井深2 700 m， 2018 年6 月16 日投產(chǎn)， 2019 年8 月15 日下入2 698.72 m全井段N80 鋼級(jí)油管。 2020 年11 月出現(xiàn)套壓與油壓相同的情況， 日產(chǎn)下降至1.8 萬m

， 日產(chǎn)水2 m

。 2021 年4 月27 日， 對(duì)該井實(shí)施壓井作業(yè)后轉(zhuǎn)入敞井觀察， 期間吊罐返排液21.35 m

， 出口無顯示。 連接油管掛， 上提油管掛， 指重表顯示懸重3 t。 4 月30 日起至原井油管第39 根時(shí)發(fā)現(xiàn)油管斷裂， 斷裂處為油管接箍本體， 斷裂處有明顯銹蝕痕跡。

2 斷裂接箍理化性能

2.1 宏觀形貌分析

斷裂接箍斷口宏觀形貌如圖2 所示。 由圖1 和圖2 可見斷口區(qū)域沿壁厚深度方向呈現(xiàn)出明顯的腐蝕形貌， 接箍斷面附著較厚的銹黃色的腐蝕產(chǎn)物，清洗后呈黑褐色， 整體沿環(huán)狀腐蝕， 斷裂區(qū)未見明顯的塑性變形， 接箍外壁未見明顯的腐蝕形貌。對(duì)樣品進(jìn)行切割取樣， 觀察發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)螺紋區(qū)域腐蝕深度更大， 并且緊鄰斷口的內(nèi)螺紋區(qū)域齒底發(fā)生了穿孔， 內(nèi)蝕孔尺寸約為0.5～1 mm， 腐蝕是由內(nèi)向外的。 用激光共聚焦顯微鏡對(duì)其內(nèi)腐蝕深度進(jìn)行測(cè)量， 如圖3 所示， 其縱向腐蝕深度約為0.7 mm。

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

對(duì)斷裂接箍的化學(xué)成分進(jìn)行取樣檢測(cè)， 結(jié)果見為232HV， API SPEC 5CT 10th 對(duì)N80 鋼級(jí)硬度沒有明確規(guī)定， 但對(duì)比該鋼級(jí)常規(guī)產(chǎn)品硬度值， 與常規(guī)產(chǎn)品硬度值保持一致， 未發(fā)現(xiàn)硬度異常。

2.3 金相及夾雜物分析

從斷裂接箍管體以及斷口取樣， 依據(jù)GB/T 13298—2015

， GB/T 10561—2005

， GB/T 6394—2017

進(jìn)行組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物分析， 顯微組織如圖5 所示。 由此可以得出接箍管體以及斷口附近的顯微組織均為回火索氏體， 晶粒度9.0 級(jí)。 斷口附近微觀組織中的非金屬夾雜物為B0.5、 D0.5 級(jí)， 未見異常組織分布。

該水質(zhì)液相中硫酸鹽還原菌達(dá)30 000 個(gè)/mL，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》 的要求 （≤25 個(gè)/mL）。一般認(rèn)為SRB 在pH 近中性、 溫度為30～35 ℃的環(huán)境下適宜繁殖

。

2.4 微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

其次， SRB 產(chǎn)生的S

與Fe

相互作用， 生成鐵的硫化物， 附著在鐵表面上， 形成陰極， 與Fe 陽(yáng)極形成濃差電池， 加劇了金屬的腐蝕。

溶液中離子的濃度除影響尿酸鹽溶解度外，對(duì)MSU晶體成核的作用也不容忽視。在體外實(shí)驗(yàn)中，隨著尿酸鹽濃度的升高，MSU晶體成核越多；同時(shí)，提高溶液中Na+的濃度也可促進(jìn)MSU晶體成核[7-8]。在生理?xiàng)l件下，K+、Mg2+、Cu2+對(duì)MSU晶體成核有較小的抑制作用，而Ca2+對(duì)MSU晶體成核沒有影響；當(dāng)Ca2+濃度過高時(shí)，形成的往往是尿酸鈣晶體而非MSU晶體[7]。

為進(jìn)一步對(duì)其腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析， 刮取腐蝕坑附近的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD 檢測(cè)， 結(jié)果顯示，其腐蝕產(chǎn)物由FeCO

、 FeS

、 Fe

O

組成。 其中FeCO

為CO

腐蝕的典型產(chǎn)物

， 斷口表面的黑色腐蝕產(chǎn)物含有FeS

硫化物， 所以可以確定能譜分析的腐蝕產(chǎn)物中S 元素與H

S 有關(guān)

。

2.5 斷口微觀形貌分析

將斷口試樣在低濃度的酸性試劑（5%草酸+95%無水乙醇） 中清洗30 min。 對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡觀察， 如圖8 所示。 斷口試樣表面呈現(xiàn)大量不規(guī)則蜂窩狀， 這種腐蝕形貌與碳鋼在酸性介質(zhì)中溶解后的微觀形貌極為相似

。 接箍外壁斷裂處存在大量的小韌窩， 說明其斷口的斷裂形式非脆性斷裂。在局部區(qū)域有少量縱深發(fā)展的小孔， 這是由于侵蝕離子Cl

所致

。

這與上述XRD 分析的結(jié)果一致， 腐蝕產(chǎn)物中的S 元素主要來源于水質(zhì)液相中SRB 嚴(yán)重超標(biāo)的結(jié)果。 因此CO

腐蝕和SRB 腐蝕是產(chǎn)生局部腐蝕坑的主要原因， 又因?yàn)樵赟RB 腐蝕中的協(xié)同作用中， 厭氧型SRB 和典型好氧微生物IOB 會(huì)協(xié)同加速工程材料的腐蝕（如圖9 所示）。其次CO

環(huán)境、 近中性pH 值、 適宜的溫度（30～60 ℃）， 都可以使細(xì)菌加速腐蝕。 另外， 液相中的Cl

含量為14 380 mg/L， Cl

能夠穿過腐蝕產(chǎn)物間隙， 造成局部嚴(yán)重的坑蝕， 因此Cl

對(duì)局部腐蝕過程的促進(jìn)作用不能忽視。

3 失效原因分析

3.1 原始缺陷對(duì)接箍斷裂的影響

接箍斷口金相分析和化學(xué)成分分析結(jié)果表明， S、 P 含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 且組織中未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物。 硫化物及磷化物這兩種夾雜物通常被認(rèn)為是局部區(qū)域孔蝕以及開裂的主要誘因

。由此可見， 由夾雜物引起N80 鋼接箍斷裂的可能性較小。

3.2 環(huán)境介質(zhì)對(duì)接箍斷裂的影響

接箍斷裂失效發(fā)生在離接箍端面40～45 mm處， 如圖10 所示。 接箍腐蝕發(fā)生在離接箍端面第8 牙 （36.154 mm） 到第11 牙 （45.679 mm）螺紋位置， 按接箍斷裂處管柱自重計(jì)算， 接箍斷裂處應(yīng)力為192 MPa， 僅為N80 屈服應(yīng)力的35%。

式中：假設(shè)6B型燃?xì)廨啓C(jī)、LM2 500型天然氣內(nèi)燃機(jī)和J920型天然氣內(nèi)燃機(jī)計(jì)劃建設(shè)臺(tái)數(shù)分別為x、y和z，x、y、z均為非負(fù)整數(shù)；單臺(tái)機(jī)組造價(jià)分別為A、B和C(萬元/臺(tái))；單機(jī)容量分別為I、J和K(MW)；島內(nèi)電廠供電能力和“十三五”內(nèi)新增氣電容量之和為L(zhǎng)(MW)；遠(yuǎn)景最大負(fù)荷為P(MW)；島內(nèi)備用容量為R(MW)。

采用掃描電鏡對(duì)接箍斷口進(jìn)行微觀形貌觀察， 結(jié)果如圖6 所示。 斷面環(huán)向一圈被腐蝕， 且有多個(gè)圓弧點(diǎn)蝕， 腐蝕坑壁處覆蓋有疏松、 多孔的腐蝕產(chǎn)物 （圖6 （a））， 腐蝕坑底處其微觀腐蝕產(chǎn)物膜不平整且同時(shí)存在開裂 （圖6 （b））。對(duì)其腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析， 結(jié)果如圖7 所示， 從圖7 中可以看出腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、 O、 S 以及Cl元素組成， 腐蝕坑底以Fe、 S 元素為主。

家有喘息寶寶是最讓父母?jìng)儜n心的事，尤其是秋冬季節(jié)，天氣轉(zhuǎn)涼，晝夜溫差增大，是喘息寶寶最難度過的時(shí)候，劇烈咳嗽、呼吸困難、陣發(fā)性喘憋等，嚴(yán)重危害寶寶的身心健康。本期我們?yōu)槟敿?xì)介紹喘息寶寶的居家日常護(hù)理。

針對(duì)碳排放，政府要充分利用湖北省碳排放權(quán)交易試點(diǎn)，積極打造中部碳交易市場(chǎng)和碳金融中心，引入更多社會(huì)和金融資源，以更低的成本來進(jìn)行節(jié)能減排。同時(shí)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力淘汰高耗能產(chǎn)業(yè)，加大科技投入和對(duì)新能源的研發(fā)工作，提升能效水平，加快能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整，盡量降低化石能源消耗比重、提高低碳能源消費(fèi)比重，積極推廣可再生能源使用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展。

3.3 螺紋結(jié)構(gòu)對(duì)接箍斷裂的影響

該井口溫度約為20～30 ℃， 油管底部溫度約為130～140 ℃， 井口壓力約為1.5～30 MPa， 氣量約為 （1.5～30） ×10

m

/d， 水量約為0～20 m

/d。其注水水質(zhì)及組分見表2。

對(duì)接箍腐蝕及斷裂位置進(jìn)行圖紙還原， 如圖11 所示。 接箍失效發(fā)生在和管體配合后距離管體端部1 牙到2 牙處。 管體涂層保護(hù)位置（3～4 牙） 沒有發(fā)生腐蝕失效。 圓螺紋上扣靠扭矩控制， 上扣位置會(huì)略有差別， 腐蝕位置也會(huì)略有差別。

對(duì)圓螺紋接箍和管體配合后接頭進(jìn)行有限元模擬分析， 如圖12 所示。 發(fā)現(xiàn)在上扣后和軸向載荷下， 接箍和管體配合后最大應(yīng)力位置在最后1 牙到2 牙處， 和接箍腐蝕及斷裂失效位置保持一致。

依據(jù)上述分析， 接箍和管體配合后最大應(yīng)力位置在距離管體端部最后1 牙到2 牙處， 斷裂和腐蝕位置也發(fā)生在接箍和管體配合后距離管體端部1 牙到2 牙處。 接頭裝配后， 內(nèi)外螺紋的齒頂和齒底形成螺旋間隙通道， 如圖13 所示。 流體在內(nèi)壓作用下， 管柱內(nèi)腔中腐蝕介質(zhì)液體會(huì)通過接箍中間和管體配合后尾扣（非完整扣） 縫隙和缺陷處滲入螺紋齒頂齒底間隙通道。 由螺旋間隙通道、 腐蝕介質(zhì)（CO

腐蝕、 SRB 腐蝕、 Cl

） 形成氧濃度差而造成齒底局部破壞， 形成了縫隙腐蝕。 但由于外螺紋表面有涂層保護(hù)， 使接箍?jī)?nèi)螺紋優(yōu)先腐蝕， 在以縫隙腐蝕為主的腐蝕環(huán)境+SRB 腐蝕中的協(xié)同作用+軸向載荷的共同作用下， 最終導(dǎo)致接箍斷裂。

4 結(jié)論及建議

（1） 該N80 EU API 圓螺紋接箍由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 在長(zhǎng)時(shí)間服役過程中， 在含有Cl

、 CO

腐蝕、 SRB 細(xì)菌等腐蝕介質(zhì)井液以及管柱內(nèi)壓作用下， 通過接箍中間縫隙進(jìn)入齒頂和齒底的螺紋螺旋形泄露通道， 在以縫隙腐蝕為主的腐蝕環(huán)境+軸向載荷共同作用下， 最終導(dǎo)致接箍斷裂。

（2） 對(duì)于注入水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)， 同時(shí)加入殺菌劑和緩蝕劑， 可降低細(xì)菌對(duì)于管材的腐蝕速率。

（3） 涂層會(huì)影響圓螺紋上扣參數(shù)， 若全管柱采用耐蝕合金材質(zhì)， 會(huì)大幅增加油田油氣開采成本， 建議優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)， 開發(fā)經(jīng)濟(jì)型螺紋接頭， 從結(jié)構(gòu)上防止或減輕縫隙腐蝕對(duì)圓螺紋油管接頭的影響， 解決接箍腐蝕及斷裂失效問題。

[1] HATZENBUHLER H，CENTNER T J. Regulation of water pollution from hydraulic fracturing in horizontally-drilled wells in the marcellus shale region，USA[J]. Water，2012（4）:983.

[2] THEODORI G L，LULOFF A E，WILLITS F K，et al.Hydraulic fracturing and the management，disposal，and reuse of frac flowback waters：Views from the public in the Marcellus Shale[J].Energy Research&Social Science，2014（2）:66.

[3] 彭在美，董帥，翁博. 頁(yè)巖氣在中國(guó)的發(fā)展及對(duì)鋼管業(yè)的影響[J]. 焊管，2013，36（8）:5-11.

[4] 王娟，燕永利，楊志剛. 頁(yè)巖氣壓裂返排液處理過程中的腐蝕防護(hù)技術(shù)[J]. 表面技術(shù)，2016，45（8）:63-67.

[5] GORDALLA B C，EWERS U，F(xiàn)RIMMEL F H. Hydraulic fracturing:A toxicological threat for groundwater and drinking-water[J]. Environmental Earth Science，2013（70）:3875.

[6] 王美城，王敏，張宇州，等. 頁(yè)巖氣產(chǎn)出水的可行性處理工藝研究[J]. 現(xiàn)代化工，2019，39（3）:198.

[7] 舒欣欣，李金波，鄭茂盛，等. N80 鋼在油田采出液中腐蝕行為的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬研究[J]. 焊管，2005（4）:16-22.

[8] LI J D，WANG C D，LIU J，et al. Corrosion analysis and use of an inhibitor in oil wells [J]. Research on Chemical Intermediates，2014（40）: 649.

[9] 張清，李全安，文九巴，等. 壓力與油管鋼CO

/H

S 腐蝕速率的關(guān)系[J]. 焊管，2005（5）:24-27，90.

[10] 方偉，秦長(zhǎng)毅，許曉峰，等. API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展及主要技術(shù)內(nèi)容變化[J]. 焊管，2012，35（8）:61-67.

[11] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法：GB/T 13298—2015[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[12] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法：GB/T 10561—2005[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[13] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 金屬平均晶粒度測(cè)定方法：GB/T 6394—2017[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[14] 李佳航，王丹，謝飛，等. 油氣管道的CO

腐蝕及防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù)，2021，50（4）:172-183.

[15] 葛睿，張鈞. N80 油管鋼在模擬油田CO

環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 焊管，2019，42（8）:1-6.

[16] 計(jì)玲. 熱采井常用油套管材料在酸性介質(zhì)中的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護(hù)，2016，37（8）:635-638，643.

[17] FAN L，ZHANG J T，WANG H，et al. Effects of trace Cl, Cu

and Fe

ions on the corrosion behaviour of AA6063 in ethylene glycol and water solutions[J]. Acta Metallurgica Sinica（English Letters），2021（prepublish）.

[18] WANG H，XIE J，YAN K P，et al. The nucleation and growth of metastable pitting on pure iron[J]. Corrosion Science，2009，51（1）:181-185.

[19] 王選奎，賈麗，李志遠(yuǎn)，等. 硫酸鹽還原菌對(duì)鋼鐵腐蝕的影響[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù)，2002，19（5）: 39-41.