套管滑套出液口部位斷裂原因

晏 健, 宮娜娜, 王偉鵬

(1.川慶鉆控工程有取公司 長慶井下技術作業(yè)公司, 咸陽 712000;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室, 咸陽 712000)

相比于常規(guī)壓裂工藝,套管滑套壓裂技術能夠滿足大排量、大通徑、多段改造的要求,已成為非常規(guī)油氣藏開發(fā)增產的有效技術手段,因此,套管滑套工具的質量直接影響壓裂施工的進程。某套管滑套的材料為42CrMo鋼,熱處理工藝為淬火+高溫回火,零部件表面采用滲氮工藝處理。對套管滑套進行出廠前整體工具強度和密封性能檢測,將套管滑套進液端連接試壓泵,封閉端采用試壓堵頭進行密封,利用試壓泵對套管滑套進液端泵注壓力,介質為水,目標檢測壓力為50 MPa,在壓力升至28.6 MPa時,套管滑套出液口部位突然發(fā)生斷裂,斷裂部位如圖1所示。在整體密封性檢測時,套管滑套內部承受高壓,出液口部位斷裂之前未發(fā)現(xiàn)滲漏,為查明該套管滑套斷裂的原因,筆者進行了一系列理化檢驗,以避免該類問題再次發(fā)生。

圖1 套管滑套斷裂部位示意

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

套管滑套斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:斷裂位置為出液口部位,其壁厚約為8.8～9.1 mm,外徑約為132 mm,內徑約為115 mm;斷口主要由斷裂源1和斷裂源2組成,斷口整體較為平整、潔凈,且呈亮金屬色,斷面較為粗糙,整體未見塑性變形,斷面方向基本與軸向垂直[1-2],裂紋從套管滑套出液口部位橢圓孔的長軸端點處向外擴展,呈一次性脆性斷裂特征。

圖2 套管滑套斷口的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂套管滑套上取樣,根據GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》[3-4],采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:該套管滑套的化學成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo鋼的要求。

表1 套管滑套的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

在斷口處取樣,采用掃描電鏡對試樣進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:套管滑套發(fā)生了脆性斷裂,在外力作用下,裂紋由斷裂源向外延伸,裂紋由小裂紋擴展為大裂紋,瞬斷區(qū)可觀察到河流狀花樣,并伴有撕裂棱和凹陷,呈準解理斷裂特征[5-7]。

圖3 套管滑套斷口的SEM形貌

1.4 硬度測試

在套管滑套出液口部位截取試樣,根據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,采用顯微維氏硬度計對試樣進行硬度測試,結果如表2所示。

表2 套管滑套出液口部位基體硬度 HV

根據GB/T 11354—2005 《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》,從試樣表面至比基體維氏硬度高50 HV處的垂直距離為滲氮層深度。因此,從試樣表面至硬度為361 HV處的距離即為套管滑套的滲氮層深度[8],測試結果如表3所示。由表3可知:套管滑套出液口部位試樣滲氮層硬度最高為627 HV,遠離套管滑套出液口部位的滲氮層硬度最高為427 HV,出液口部位的滲氮層硬度比遠離出液口部位的滲氮層硬度高200 HV;套管滑套出液口部位滲氮層深度約為0.3 mm,遠離套管滑套出液口部位的滲氮層深度約為0.2 mm,出液口部位的滲氮層深度比遠離出液口部位的滲氮層深度大約0.1 mm。

表3 套管滑套的滲氮層深度測試結果

1.5 沖擊性能測試

在套管滑套出液口部位及滑套部位取樣,根據標準GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行縱向夏比V型缺口沖擊試驗[9],試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm(長度×寬度×高度),試驗溫度為20 ℃,試驗結果如表4所示,該套管滑套出液口部位的沖擊性能不符合產品技術要求。

表4 套管滑套的沖擊性能測試結果 J

1.6 金相檢驗

依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,在套管滑套出液口部位取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖4所示。由圖4可知:出液口部位的組織為索氏體+珠光體,且索氏體中含有塊狀鐵素體。該組織不符合42CrMo鋼淬火后高溫回火的組織要求。熱處理工藝不當使套管滑套的沖擊韌性顯著降低,導致套管滑套發(fā)生脆性斷裂。

圖4 套管滑套出液口部位的顯微組織形貌

2 有限元分析

使用有限元分析軟件對套管滑套出液口部位進行受力分析,模擬套管滑套進行整體工具強度和密封性能檢測時的工況,結果如圖5所示。由圖5可知:套管滑套內部壓力為28.6 MPa時,計算套管滑套出液口部位的局部最大應力為1 056.8 MPa,最大應力位于出液口部位橢圓形開孔的長軸端點處,遠離出液口部位的應力急劇減小。該套管滑套出液口部位開有周向分布的橢圓形孔,在內壓作用下,橢圓形孔處出現(xiàn)應力明顯增大的現(xiàn)象,即產生應力集中。

圖5 套管滑套出液口部位有限元分析結果

3 綜合分析

由套管滑套出液口部位的宏觀形貌和微觀形貌可知,斷口整體較為平整,整體未見塑性變形,斷裂源區(qū)并未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞形貌,瞬斷區(qū)可見放射狀河流花樣,并伴有撕裂棱和凹陷,呈準解理斷裂特征。該套管滑套的化學成分符合標準要求,斷裂位置附近與遠離斷口處的滲氮層硬度存在一定的差異[10]。套管滑套出液口部位的沖擊性能明顯低于其他部位,且不符合產品的技術要求。

套管滑套出液口部位設計有多個不連續(xù)的缺口,缺口處存在明顯的應力集中,進而導致缺口附近的應力分布不均勻,產生了缺口效應。缺口處產生應力集中,引起三向應力狀態(tài),使材料脆化,由應力集中轉變?yōu)閼兗?使缺口附近的應變速率增加,同時表面滲氮導致套管滑套出液口部位的缺口敏感性增大。

42CrMo鋼經淬火+高溫回火調質處理后,其組織應為均勻的回火索氏體[11],而金相檢驗結果表明,套管滑套出液口部位的組織為索氏體+珠光體,且索氏體中含有塊狀鐵素體,該組織不滿足產品的技術要求。組織異常導致材料的力學性能變差,斷裂韌度大幅度降低,出液口部位存在應力集中,在受到內部液體壓力的作用下,該部位萌生裂紋,最終導致套管滑套發(fā)生斷裂。

4 結論及建議

套管滑套出液口部位在外力作用下發(fā)生了一次性脆性斷裂。套管滑套出液口部位存在明顯的應力集中,產生了缺口效應。熱處理工藝不當導致材料的斷裂韌度顯著降低,最終導致套管滑套出液口部位發(fā)生斷裂。

建議對套管滑套出液口部位的結構進行優(yōu)化,減少應力集中,同時加強對鋼材熱處理過程的質量監(jiān)控,提高套管滑套材料的強度和韌性。