127 mm G105型鉆桿腐蝕失效分析

王顯林，陳長青，張德旺，李京梅，孔令楠，李　真

王顯林a，陳長青a，張德旺a，李京梅b，孔令楠a，李真a

（渤海裝備制造有限公司a.第一機(jī)械廠；b.鉆井裝備有限公司，河北青縣062658）①

通過力學(xué)性能測試、金相顯微組織以及能譜分析，結(jié)合鉆桿的使用環(huán)境，對1例?127 mm G105型鉆桿腐蝕失效原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鉆桿腐蝕失效主要是由極強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)作用引起，腐蝕機(jī)理主要為氧腐蝕、垢下腐蝕以及電偶腐蝕。

鉆桿；失效分析；腐蝕

某礦業(yè)公司1批?127 mm G105型鉆桿在服役2 a、閑置1 a后，鉆桿表面出現(xiàn)大面積腐蝕點坑。受使用方委托，對該鉆桿腐蝕失效原因進(jìn)行了分析。根據(jù)委托方提供的資料顯示，鉆井時采用的泥漿為鉀基泥漿（富含KCl，K2CO3等）和鈉基泥漿（富含Na+，Ca2+等）［1］。

1　宏觀形貌分析

鉆桿管體外表面布滿大小不一、深淺各異的點蝕坑，腐蝕區(qū)域布滿紅褐色的腐蝕產(chǎn)物。管體表面存在沿軸向分布、具有一定寬度、呈180°對角分布的2個腐蝕條帶。該條帶區(qū)點蝕坑密度和尺寸較大，點蝕深度較深。鉆桿接頭只是在局部區(qū)域出現(xiàn)了少量點蝕坑，腐蝕坑的尺寸較小。在鉆桿管體與接頭的過渡區(qū)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的點蝕，如圖1～2。

圖1　腐蝕失效宏觀形貌

圖2　過渡區(qū)點蝕形貌

采用MX-5型超聲波測厚儀對腐蝕較嚴(yán)重的鉆桿管體進(jìn)行剩余壁厚測量，測量結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，鉆桿管體最小剩余壁厚僅為5.32 mm，最大剩余壁厚為12.66 mm。鉆桿管體名義壁厚為12.70 mm。

表1　鉆桿管體剩余壁厚測量結(jié)果　mm

2　理化檢驗

2.1金相分析

在鉆桿管體和接頭腐蝕坑附近取樣，分析材料中的夾雜物、金相組織、晶粒度和裂紋，分析結(jié)果如表2所示。鉆桿管體與接頭材料的組織均為回火索氏體。鉆桿管體外表面腐蝕坑內(nèi)填滿腐蝕產(chǎn)物，局部腐蝕坑底有裂紋，裂紋及腐蝕坑周圍組織未見異常，如圖3所示。鉆桿接頭外表面腐蝕坑內(nèi)填滿腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑周圍組織未見異常，如圖4所示。

圖3　管體外表面腐蝕坑底裂紋形貌

圖4　接頭外表面腐蝕坑周圍組織形貌

2.2化學(xué)成分分析

從失效鉆桿管體和接頭取樣檢測化學(xué)成分，結(jié)果如表3所示，鉆桿管體和接頭化學(xué)成分符合SY／T 5561—2008標(biāo)準(zhǔn)要求［3］。

2.3力學(xué)性能分析

從鉆桿管體上沿縱向取圓棒拉伸試樣，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗；取縱向尺寸規(guī)格均為10 mm ×10 mm×55 mm的夏比V形缺口沖擊試樣，在20℃下進(jìn)行沖擊試驗，試驗結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，鉆桿管體拉伸試驗力學(xué)性能值和縱向沖擊功均符合SY／T 5561-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3　鉆桿化學(xué)成分wB%

表4　力學(xué)性能檢測結(jié)果

3　腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析

3.1表面形貌及成分分析

腐蝕失效鉆桿管體表面形貌及能譜分析結(jié)果如圖5～6所示。結(jié)果表明，管體表面腐蝕產(chǎn)物存在開裂和剝落現(xiàn)象，表面腐蝕產(chǎn)物以O(shè)、Fe、C元素為主，局部區(qū)域富含O、Ca、Si、C、Fe、Mg等元素。

圖5　管體分析位置

圖6　管體腐蝕產(chǎn)物能譜

腐蝕失效鉆桿接頭表面形貌及能譜分析結(jié)果如圖7～8所示。與鉆桿管體類似，鉆桿接頭表面的腐蝕產(chǎn)物也存在開裂和剝落現(xiàn)象。表面腐蝕產(chǎn)物以O(shè)、Fe、C元素為主，在腐蝕坑區(qū)域還富含Ca和Si等元素。

圖7　接頭分析位置

圖8　接頭腐蝕產(chǎn)物能譜

3.2腐蝕產(chǎn)物物相分析

直接從鉆桿管體表面取樣，對其進(jìn)行物相分析，結(jié)果表明，管體表面的物相主要為CaCO3，SiO2，如圖9所示。從腐蝕失效鉆桿管體表面刮取腐蝕產(chǎn)物，制成粉末樣，對其進(jìn)行物相分析，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為FeO（OH），F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e0.98O，F(xiàn)e3O4，如圖10所示。

圖9　鉆桿管體XRD圖譜

圖10　鉆桿管體腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜

4　綜合分析

失效鉆桿的化學(xué)成分分析、金相組織及力學(xué)性能均符合SY／T 5561—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

化學(xué)成分分析表明：不論是提高碳鋼耐均勻腐蝕的Cr元素，還是提高碳鋼耐點蝕能力的Mo、Ni元素，在鉆桿接頭中的含量均高于鉆管管體中的含量；鉆桿接頭中Mn元素的含量低于鉆桿管體中的含量，Mn元素是良好的脫氧劑和脫硫劑，但是錳含量增高，會減弱鋼的耐腐蝕能力。以上因素是鉆桿管體較鉆桿接頭腐蝕更為嚴(yán)重的主要原因［2］。

失效鉆桿的局部腐蝕以點蝕為主。鉆桿出井時，因重力作用，鉆桿表面殘留的鉆井液或井下腐蝕介質(zhì)易在鉆桿接頭和管體的過渡區(qū)滯留。在橫向放置的鉆桿外表面底部和頂部，鉆井液或井下腐蝕介質(zhì)滯留較多，鉆桿表面呈180°對角區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)沿軸向的腐蝕條帶。同時在鉆桿接頭和管體的過渡區(qū)，因鉆井液或井下腐蝕介質(zhì)滯留也將發(fā)生嚴(yán)重點蝕［3-4］。

鉆井液中存在游離態(tài)氧，鉆桿金屬容易發(fā)生吸氧腐蝕。根據(jù)能譜分析及物相分析結(jié)果，工況環(huán)境中含大量的Ca2+、Mg2+等元素，Ca2+、Mg2+的存在會使結(jié)垢傾向增大，形成碳酸鹽結(jié)垢（主要為Ca-CO3）。碳酸鹽結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)物在鉆桿表面沉積形成垢層，構(gòu)成縫隙腐蝕的條件，從而誘發(fā)垢下點蝕。垢層在鉆桿表面不同區(qū)域覆蓋度不同，不同覆蓋度的區(qū)域之間就形成了具有很強(qiáng)自催化作用的腐蝕電偶，更加速了鋼材表面的局部腐蝕。鉆井液中的Cl-離子對點蝕也有一定的加速作用。

因此，鉆桿腐蝕主要是由極強(qiáng)的腐蝕性介質(zhì)作用引起的，腐蝕介質(zhì)包括O2、Ca2+、Mg2+以及煤層水等。因此，腐蝕機(jī)理為氧腐蝕及Ca2+、Mg2+等離子引起的垢下腐蝕，以及煤層水引起的電偶腐蝕。

5　結(jié)論

1）失效鉆桿的化學(xué)成分、拉伸性能和沖擊性能符合標(biāo)準(zhǔn)SY／T 5561—2008的要求。

2）鉆桿腐蝕失效主要是由極強(qiáng)的腐蝕性介質(zhì)（O2、Ca2+、Mg2+以及煤層水）作用引起的，腐蝕機(jī)理主要為氧腐蝕、Ca2+等離子引起的垢下腐蝕以及煤層水引起的電偶腐蝕。

3）鉆桿出井后應(yīng)及時清理鉆桿表面滯留的鉆井液和腐蝕介質(zhì)，存放期間采取相應(yīng)的防腐措施。

4）建議加強(qiáng)對工況環(huán)境和鉆桿的檢測，并對該批次鉆桿進(jìn)行剩余疲勞壽命評價。

［1］陳長青，李齊富，劉進(jìn)田，等.?127 mm S135型鉆桿管體刺穿失效分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（1）：59-61.

［2］王慧龍，汪世雷，鄭家炎，等.碳鋼在鹽水-油-氣多項流中腐蝕規(guī)律的研究［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2002，19 （2）：49-51.

［3］SY／T5561—2008，摩擦焊接鉆桿［S］.

［4］趙金鳳，余世杰，袁鵬斌，等.加重鉆桿接頭刺漏原因分析［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（8）：57-51.

［5］龔丹梅，余世杰，袁鵬斌，等.G105鋼級鉆桿外螺紋接頭裂紋原因分析J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（10）：39-44.

Corrosion Failure Analysis of127 mm G105 Drill Pipe

WANG Xianlina，CHEN Changqinga，ZHANG Dewanga，LI Jingmeib，KONG Lingnana，LI Zhena
（a．No．1 Machinery Works；b．Petro HD Equipment Ltd．，CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co．，Ltd．，Qingxian 062658，China）

The corrosion failure cause of?127 mm G105 drill pipe are analyzed in this paper.It was investigated through mechanical properties test，optical morphologies，and energy spectrum analysis under using condition.The results show that the corrosion failure of drill pipe is mainly caused by the action of strong corrosive medium，such as oxygen corrosion，under-deposit corrosion and galvanic corrosion.

drill pipe；failure analysis；corrosion

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.006

1001-3482（2015）10-0024-04