N80-1鋼加厚油管加厚部位斷裂原因

李光輝,米永峰,許莞琪,郝葆江,王海博

(1.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司,西安 710075；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司,包頭 014010)

API外加厚油管由于管端壁厚的增加，其連接強(qiáng)度較同規(guī)格的非外加厚油管得到了提高，應(yīng)用也較為廣泛[1]。在某油田油管下井作業(yè)過程中，一支規(guī)格為φ88.90 mm×6.45 mm的N80-1鋼加厚油管坐在井口吊卡上時(shí)，管體加厚部位突然發(fā)生斷裂，接箍從吊卡上彈出，其下部油管(共計(jì)351支)全部掉入井中，質(zhì)量約為48.57 t。該油管加厚部位管體額定最小破斷拉力(額定最小抗拉強(qiáng)度×公稱橫截面積)為1 230.9 kN，SY/T 6417-2016《套管、油管和鉆桿使用性能》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定該規(guī)格加厚油管管體的額定抗拉載荷為921.6 kN，該油管斷裂時(shí)承重約為加厚部位管體額定最小破斷拉力的39.5%。為了找出該加厚油管斷裂的原因，筆者進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 幾何尺寸測(cè)量

根據(jù)API SPEC 5CT-2018《油管和套管》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)該油管管體和加厚部位的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，沿管體縱向每50 mm測(cè)量一次，測(cè)量位置示意如圖1所示。圖中b為加厚過渡區(qū)長(zhǎng)度；c為平滑區(qū)長(zhǎng)度；NL為接箍長(zhǎng)度；a為標(biāo)準(zhǔn)接箍承載面寬度；Dc為加厚過渡區(qū)起始處管體外徑；D為不加厚部位管體外徑；d為不加厚部位管體壁厚；Da為加厚部位管體外徑；Leu為管端到加厚過渡區(qū)結(jié)束處長(zhǎng)度(加厚區(qū))；La為管端到加厚過渡區(qū)起始處長(zhǎng)度；Lb為管端到平滑區(qū)起始處長(zhǎng)度；Q為鏜孔直徑；W為接箍外徑。由表1可見，該油管加厚部位及管體外徑均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值，且存在壁厚不均現(xiàn)象。

圖1 加厚油管管體加厚部位的測(cè)量尺寸示意

表1 加厚油管管體的幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

1.2 宏觀分析

如圖2所示：加厚油管接箍端斷口未發(fā)生塑性變形，斷口整體呈脆性斷裂特征，除圖1a)中的黑色光亮區(qū)(區(qū)域Ⅰ)略有凸起之外，其他位置較為平整，可見人字紋花樣，黑色光亮區(qū)表面光滑且有光澤，約占管體橫截面積的10%；油管斷口黑色光亮區(qū)油管內(nèi)表面可見明顯的縱向裂紋，裂紋延伸至油管端部，裂紋處可見明顯凹槽；油管端部可見凹坑，深度可達(dá)2 mm；與黑色光亮區(qū)呈90°夾角的分層區(qū)(區(qū)域Ⅱ)沿壁厚方向呈分層狀，該區(qū)域由靠近外壁約2/3壁厚處的臺(tái)階狀斷面和靠近內(nèi)壁1/3壁厚的棱狀斷面組成，整體呈中間高、兩邊低的形貌，表面光滑；分層區(qū)油管內(nèi)表面可見沿管體縱向擴(kuò)展的裂紋，該裂紋未貫穿整個(gè)壁厚。

圖2 加厚油管接箍端斷口不同位置處的宏觀形貌

采用滲透探傷法對(duì)加厚油管接箍端的螺紋部位進(jìn)行檢測(cè)。如圖3所示，斷口除黑色光亮區(qū)延伸出裂紋外，分層區(qū)也可見沿縱向擴(kuò)展的裂紋，該條裂紋僅在油管內(nèi)表面可見，未貫穿整個(gè)壁厚。

圖3 加厚油管接箍端斷口不同位置處的滲透探傷結(jié)果

如圖4所示，加厚油管管體端斷口的宏觀形貌與接箍端的相似，可見黑色光亮區(qū)和分層區(qū)。將斷裂加厚油管管體端沿軸向剖開，可見黑色光亮區(qū)油管內(nèi)表面有舌狀軋疤，距離斷口約10 cm處可見環(huán)狀凹面，應(yīng)為加厚工藝過程中形成的缺陷。

圖4 加厚油管管體端斷口與縱向剖面的宏觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)該加厚油管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，可知該加厚油管的化學(xué)成分滿足API SPEC 5CT-2018標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 加厚油管的化學(xué)成分

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.4.1 拉伸試驗(yàn)

分別從該加厚油管的加厚部位和管體截取尺寸為φ5 mm×25 mm的棒狀拉伸試樣(分別記為加厚區(qū)棒樣和管體棒樣)，另在管體位置處截取尺寸為19 mm×50.8 mm的板狀拉伸試樣(記為管體板樣)，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由表3可見，僅加厚區(qū)棒樣的拉伸性能滿足API SPEC 5CT-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 加厚油管的拉伸性能

1.4.2 沖擊試驗(yàn)

從加厚油管的加厚部位和管體截取試樣，進(jìn)行縱向夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，加厚部位沖擊試樣尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm(3/4尺寸試樣)，管體沖擊試樣尺寸為10 mm×5 mm×55 mm(1/2尺寸試樣)，試驗(yàn)溫度均為0 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，可見該加厚油管的沖擊性能符合API SPEC 5CT-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 加厚油管的沖擊性能

1.5 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)加厚油管接箍端斷口的黑色光亮區(qū)、分層區(qū)及管體端軋疤缺陷進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖5所示：黑色光亮區(qū)域由發(fā)黑區(qū)和啞光區(qū)組成，其中啞光區(qū)呈典型的脆性斷裂特征，可見河流狀花樣，夾雜物較多；發(fā)黑區(qū)較為平整，未見夾雜物等缺陷。如圖6和圖7所示，油管接箍端斷口處裂紋沿管體縱向擴(kuò)展至管端部，且油管內(nèi)表面裂紋附近有大量夾雜物，能譜分析結(jié)果表明，該處夾雜物種類較多，除碳、氧、硅、錳元素以外，還有磷、硫、鋁、鈦等元素，夾雜物是在管坯冶煉過程中形成的。

圖5 加厚油管接箍端斷口黑色光亮區(qū)的微觀形貌

圖6 加厚油管接箍端端部裂紋處的微觀形貌及能譜圖

圖7 加厚油管接箍端處表面裂紋內(nèi)夾雜物的微觀形貌和能譜圖

在加厚油管接箍端斷口分層區(qū)截取縱向試樣，進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖8所示，夾層兩邊組織不連續(xù)，存在裂紋，裂紋中間可見含氧、硅、錳元素的夾雜物，該夾雜物是在鑄坯冶煉過程中產(chǎn)生的。

圖8 加厚油管接箍端斷口夾層區(qū)裂紋內(nèi)部夾雜物的微觀形貌及能譜圖

在加厚油管管體端舌狀軋疤處截取縱向試樣，進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖9所示：軋疤處裂紋起始位置檢測(cè)到氧、硅、錳元素，裂紋末端兩側(cè)金屬已經(jīng)結(jié)合，部分金屬與基體結(jié)合不連續(xù)，仍可見孔洞；對(duì)裂紋起始位置進(jìn)行碳元素分析，裂紋處未出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，說明該裂紋不是在鑄造過程中形成的，而是鑄坯中存在的鑄造缺陷導(dǎo)致軋制時(shí)金屬流動(dòng)性差而產(chǎn)生的軋疤缺陷，軋疤缺陷不是造成此次事故的主要原因。

圖9 加厚油管管體軋疤處裂紋的微觀形貌、裂紋起始位置碳元素面掃結(jié)果及裂紋起始位置能譜圖

加厚油管管體端內(nèi)表面環(huán)狀凹面應(yīng)為加厚過程中產(chǎn)生的[2-4]。一般情況下，環(huán)狀凹面的形成與加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)，加熱溫度越低或加熱時(shí)間越短，金屬的流動(dòng)性就越差，金屬不能完全聚集、變形，而產(chǎn)生環(huán)狀凹面。綜上所述，環(huán)狀凹面為加厚過程中產(chǎn)生的，不是造成此次斷裂事故的直接原因。

2 分析與討論

結(jié)構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆斷時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形，斷口呈脆性斷裂特征，斷口無結(jié)晶狀形貌，結(jié)構(gòu)件中的宏觀裂紋缺陷是導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷的主要原因。裂紋會(huì)破壞材料的連續(xù)性，改變材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，使結(jié)構(gòu)件在應(yīng)力水平較低或低于材料屈服強(qiáng)度情況下發(fā)生斷裂。該油管斷裂時(shí)承重約為加厚部位管體額定最小破斷拉力的39.5%，加厚部位早期斷裂為低應(yīng)力脆斷，斷口平齊，呈脆性斷口特征，斷口處裂紋內(nèi)存在大量的夾雜物，裂紋貫穿壁厚，且該油管中存在嚴(yán)重的鑄造缺陷。綜上所述，鑄造缺陷導(dǎo)致的低應(yīng)力脆斷是該加厚油管斷裂的主要原因。

加厚油管的拉伸性能和管體外徑均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、管體加厚部位壁厚不均、管體軋疤缺陷和環(huán)狀凹面是該加厚油管斷裂的次要因素。

3 結(jié)論

該油管加厚部位異常斷裂的主要原因是管坯鑄造缺陷改變了油管內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，加厚油管的拉伸性能和管體外徑均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、管體加厚部位壁厚不均、管體軋疤缺陷和環(huán)狀凹面是該加厚油管失效的次要原因。在主、次要原因的共同作用下，使油管在遠(yuǎn)低于最小破斷拉力的重力作用下發(fā)生脆性斷裂。