超級13Gr油管內(nèi)壁缺欠原因及對性能影響

楊向同，呂拴錄，2，彭建新，王　鵬，劉文紅，高文祥，楊雙寶，耿海龍，李金鳳，朱麗娟（．塔里木油田，新疆庫爾勒84000；2．中國石油大學材料科學與工程系，北京02249；．中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安70077）

超級13Gr油管內(nèi)壁缺欠原因及對性能影響

楊向同1，呂拴錄1，2，彭建新1，王鵬3，劉文紅3，高文祥1，楊雙寶1，耿海龍1，李金鳳3，朱麗娟3
（1．塔里木油田，新疆庫爾勒841000；2．中國石油大學材料科學與工程系，北京102249；3．中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）①

采用管道內(nèi)窺鏡對超級13Cr油管內(nèi)壁進行了宏觀檢查，對發(fā)現(xiàn)的疑似缺欠用超聲波進行復(fù)檢，對含有缺欠的油管取樣進行理化試驗。分析結(jié)果后認為油管內(nèi)壁缺欠對其抗內(nèi)壓強度沒有影響，但缺欠部位會首先發(fā)生腐蝕，可能誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞裂紋。油管內(nèi)壁缺欠的產(chǎn)生原因與軋管工藝不當有關(guān)。目前，油管生產(chǎn)廠采用的打磨方法無法從根本上消除油管內(nèi)壁的缺欠。

油管；內(nèi)壁；缺欠；腐蝕

超級13Cr馬氏體不銹鋼油管對表面缺欠特別敏感，滿足ISO13680標準規(guī)定的N5刻槽探傷要求的超級13Cr油管在高溫高壓井使用也會發(fā)生失效事故。某高溫高壓井超級13Cr油管接箍發(fā)生斷裂事故，失效分析認為斷口起源于沒有超過N5刻槽的原始裂紋［1］。對某高溫高壓井油管起出檢查，油管內(nèi)壁存在氧化皮的部位首先發(fā)生腐蝕［2］。對某高溫高壓井油管應(yīng)力腐蝕開裂事故分析結(jié)果，裂紋起源于外壁腐蝕坑［3］。

2014-03發(fā)現(xiàn)部分超級13Cr油管內(nèi)壁存在不同程度的劃痕缺欠，劃痕有明顯手感，目測呈凹陷型，大多數(shù)劃痕長度0．3～6．0m，部分油管幾乎全長存在劃痕。部分油管內(nèi)壁存在不同程度打磨痕跡，打磨部位均在管端附近，打磨部分均勻光滑，用手觸摸無棱角。為了搞清油管內(nèi)壁質(zhì)量狀況，本文對油管內(nèi)表面質(zhì)量進行了檢測。

1　油管內(nèi)壁質(zhì)量檢查

1．1 油管內(nèi)表面打磨形貌

油管內(nèi)表面劃痕及打磨形貌如圖1。從圖1可知，該批油管在出廠之前由于內(nèi)壁存在質(zhì)量問題進行了打磨處理。

圖1　油管內(nèi)壁劃痕和打磨痕跡

1．2 油管內(nèi)窺鏡檢查及打磨位置測量

采用管道內(nèi)窺鏡對111根?88．9mm×6．45mm超級13Cr油管內(nèi)壁進行了檢查，并對打磨位置和油管長度進行了測量，發(fā)現(xiàn)12根油管內(nèi)壁有疑似缺欠（如圖2）。

圖2　油管內(nèi)壁缺欠檢查結(jié)果及打磨位置

1．3 超聲波復(fù)檢及解剖檢查結(jié)果

采用HS-600型數(shù)字式超聲波探傷儀對所有內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)疑似缺欠的12根油管復(fù)檢，2根油管存在沒有超標的缺欠波形。其中6226號油管內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)在距外螺紋接頭端部0．99～1．99m的內(nèi)壁存在線性缺欠，采用超聲波對該處復(fù)檢，示波屏顯示的波形高度為N5刻槽報警值的62．5%。對該油管內(nèi)壁缺欠部位縱向解刨后缺欠形貌如圖3～4。

圖3　6226號油管在距外螺紋接頭端0．95～1．99m處解剖后內(nèi)壁線性缺欠形貌

圖4　6226號油管在距外螺紋接頭端0．95～1．99m處解剖后內(nèi)壁線劃痕形貌

2　理化檢驗

2．1 化學成分分析

采用直讀光譜儀對該油管試樣材料進行化學成分分析，符合ISO13679標準要求（如表1）。

2．2 力學性能檢測

沿油管管體縱向取寬度為25．4mm的板狀拉伸試樣、7．5mm×10mm×55mm和5mm×10mm×55mm的夏比V型缺口沖擊試樣和硬度塊試樣。

力學性能試驗結(jié)果如表2～3。材料拉伸、沖擊和硬度試驗結(jié)果表明，油管試樣材料拉伸強度、屈服強度、伸長率、夏比V型缺口試樣沖擊功和硬度符合ISO 13680和塔里木油田技術(shù)條件規(guī)定。

2．3 金相分析

取樣進行金相分析，結(jié)果如表4和圖5，組織均為回火馬氏體，金相組織和晶粒度正常。

表1　化學成分wB%

表2　拉伸試驗和硬度試驗結(jié)果

表3　沖擊試驗結(jié)果

表4　金相分析結(jié)果

圖5　油管管體組織

圖6　2號88．9mm×7．34mm油管缺欠位置金屬流線斷開

在油管試樣線性缺欠處取樣，某些缺欠位置金屬流線斷開（如圖6）缺欠最大深度0．17mm，為管體名義壁厚的2．6%。油管缺欠與管體內(nèi)表面基本垂直，靠近內(nèi)表面較寬，靠近尾端處較細窄，內(nèi)有灰色物質(zhì)（如圖7）。

圖7　油管內(nèi)壁線性缺欠及附近金相組織

2．4 能譜分析

對油管試樣線性缺欠位置進行電子顯微鏡能譜分析。缺欠內(nèi)灰色填充物富含氧元素，判斷其主要為金屬氧化物（如圖8和表5）。

圖8　線性缺欠剖面能譜分析位置

表5　能譜分析結(jié)果　wB%

2．5 氣密封及水壓爆破試驗

2．5．1 氣密封及水壓爆破試驗方案

1） 在氣密封試驗中，試壓介質(zhì)為氮氣，氣體內(nèi)壓至95%VME，保壓15min，以最大排量卸載；再次重復(fù)施加氣體內(nèi)壓至95%VME，保壓15min，以最大排量卸載。記錄壓力隨時間變化曲線。

2） 若無泄漏，進行水壓爆破試驗。

油管試樣在氣密封試驗過程內(nèi)壓達到96 MPa（按照實測壁厚計算，應(yīng)力達到95%VME）未發(fā)生泄漏。隨后進行水壓爆破試驗，爆破壓力值超過管體內(nèi)屈服壓力值（96 MPa），試樣爆破位置均在油管管體（如表6）。

表6　內(nèi)壓試驗結(jié)果

3　結(jié)果分析

3．1 內(nèi)窺鏡檢查效果及精度

管道內(nèi)窺鏡可觀察油管內(nèi)壁各種缺欠類型、形貌、數(shù)量及軸向位置，但由于管道內(nèi)窺鏡成像質(zhì)量一般，油管內(nèi)壁油污、銹斑、切削液殘跡等形貌干擾大，加之缺欠本身尺寸小、難于正確判斷缺欠，難免存在漏檢、誤判等情況。管道內(nèi)窺鏡僅作為油管內(nèi)表面宏觀觀察，不能獨立判斷缺欠性質(zhì)與深度。對管道內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)的缺欠，應(yīng)采用超聲波無損檢測方法和解剖分析方法確認。

3．2 油管質(zhì)量判定

3．2．1 油管外觀質(zhì)量判定

依據(jù)檢測結(jié)果，油管表面沒有超過N5刻槽的缺陷，但存在深度小于N5刻槽的缺欠。進一步試驗分析結(jié)果表明，油管內(nèi)壁存在的缺欠最大深度0．17mm，為管體名義壁厚的2．6%，缺欠內(nèi)填充物為高溫氧化物，缺欠部位金屬流線斷開，實際為尖端較鈍的裂紋。缺欠內(nèi)灰色填充物為金屬氧化物，缺欠與基體過渡區(qū)Cr和Fe含量降低。超級13Cr油管主要用在含有CO2、凝析水和Cl－的高溫高壓氣井。油管內(nèi)壁缺欠里充滿氧化物，這必然會導致缺欠位置先發(fā)生腐蝕。油管缺欠位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中和腐蝕集中，在使用時很容易導致應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞裂紋［4-15］。該油田訂貨技術(shù)標準規(guī)定，油管管體和接箍不允許存在裂紋、發(fā)紋、折疊、凹槽等缺陷。油管外觀質(zhì)量不符合油田訂貨技術(shù)要求。

3．2．2 油管抗內(nèi)壓性能判定

除了1971年發(fā)起的抗癌戰(zhàn)爭和20世紀80年代后期對艾滋病研究的資助激增之外，對一種疾病研究的資助增幅如此巨大，在NIH是沒有其他先例的。隨著慷慨資助的到來，運營方面的挑戰(zhàn)開始顯現(xiàn)。NIH的工作人員加班加點，努力審查和處理數(shù)千份資助申請，其中也包括2018年4.14億美元的撥款，這筆款項是國會于2018年3月審批通過的，相當于NIH一些較小研究所的全部預(yù)算。

油管試樣氣體內(nèi)壓試驗至96 MPa（95%VME）油管沒有泄漏，油管試樣水壓試驗爆破試驗壓力值超過管體內(nèi)屈服壓力值，說明油管內(nèi)壁存在的缺欠對油管靜強度影響不大［16］。油管抗內(nèi)壓性能符合該油田超級13Cr油管訂貨技術(shù)標準。

3．3 油管內(nèi)壁缺欠產(chǎn)生原因分析

3．3．1 軋管工藝

圖3和圖4所示的線性缺欠是在軋管過程中形成的，由于細小的13Cr材料粘附在芯棒表面，當芯棒退出過程中在管體內(nèi)表面產(chǎn)生軋痕（如圖9）。

圖9　油管內(nèi)壁缺欠產(chǎn)生原因示意

3．3．2 油管內(nèi)壁缺欠打磨修復(fù)

生產(chǎn)廠是采用如下工具和工藝對油管管體內(nèi)壁缺陷進行打磨的。

1） 自動化打磨機打磨砂輪可以伸到油管內(nèi)壁5m的位置，打磨機可使打磨砂輪自動沿軌道軸向移動和徑向移動，并打磨油管內(nèi)壁缺欠。

2） 半自動化打磨機打磨砂輪也可以伸到油管內(nèi)壁5m的位置，人工操作可使打磨砂輪沿軌道軸向移動和徑向移動，然后打磨油管內(nèi)壁缺欠。

3） 油管內(nèi)壁質(zhì)量是靠肉眼來判定的。由于肉眼只能看到靠近油管管端的內(nèi)壁缺陷或缺欠，肉眼無法看到遠離管端的缺陷或缺欠，實際在工廠只能打磨肉眼可以看到的靠近油管管端的內(nèi)壁缺陷或缺欠。從圖3可知，111根油管中有1根油管內(nèi)壁打磨深度在距管端3．7m位置，占0．9%；有2根油管內(nèi)壁打磨深度在距管端2．18～2．45m位置，占1．8%；其余108根油管內(nèi)壁打磨深度距油管管端的距離均在2．0m以內(nèi)。

標準允許對油管表面缺陷打磨，但打磨之后壁厚應(yīng)符合要求，打磨位置應(yīng)平滑過渡。實際檢測結(jié)果表明，距管端超過2m的中間6m管段內(nèi)壁缺陷根本無法保證打磨質(zhì)量。也就是說一旦油管內(nèi)壁存在缺陷，根本無法消除。因此，應(yīng)當在前工序消除這些缺欠。

4　結(jié)論

1） 油管內(nèi)壁缺欠是在軋管工序產(chǎn)生的，缺欠產(chǎn)生原因與軋管工藝不當有關(guān)。該缺欠對油管的抗內(nèi)壓強度沒有影響。

2） 在使用過程中，油管內(nèi)壁的缺欠位置會首先腐蝕，增加應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞裂紋的風險。

3） 建議對有內(nèi)壁缺欠的油管進行腐蝕性能評價。

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Cause Analysis on Imperfection on Inner Surface and Its Effect on
Performance of Super 13Cr Tubing

YANG Xiangtong1，LYU Shuanlu1，2，PENG Jianxin1，WANG Peng3，LIU Wenhong3，GAO Wenxiang1，YANG Shuangbao1，GEN Hailong1，LI Jinfeng3，ZHU Lijuan3

（1．Tarim Oil Field，Korla 841000，China；2．Material Science and Engineering Department，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3．Tubular Goods Research Institute，China National Petroleum Corporation，Xi’an 710077，China）

This paper givesmacrograph inspection for inner surface of super 13Cr tubing with pipe-line endoscope，and the imperfection found per endoscope are re-inspected with UT，and some tub-ing containing imperfection were sampled for physics and chemistry test．It was considered from test result that the imperfection on inner surface of tubing is not affected to its performance，but it will cause corrosion first thatmay induce SCC and corrosion fatigue crack．The imperfection on inner surface of tubing is not only related to unreasonable rolling technology，but also related to tube blank．The imperfection on inner surface of tubing could not be removed per the burnishingmethod present．

tubing；inner surface；imperfection；corrosion

TE931．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．011

1001－3482（2015）08－0048－05

①2015－02－30

楊相同（1972-），男，甘肅武山人，1996年畢業(yè)于中國石油大學（華東），高級工程師，從事測井和試油技術(shù)研究和管理工作。