某油田用油管斷裂失效分析

朱麗霞, 李金鳳, 瞿婷婷, 張 華, 仝 珂

(中國石油集團 石油管工程技術研究院, 西安 710077)

質量控制與失效分析

某油田用油管斷裂失效分析

朱麗霞, 李金鳳, 瞿婷婷, 張 華, 仝 珂

(中國石油集團 石油管工程技術研究院, 西安 710077)

某油田直井氣井在正常產氣56 d(天)后發生油管本體斷裂失效。通過宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析，對該油管的失效原因進行了綜合分析。結果表明：該油管的斷裂性質屬于腐蝕疲勞斷裂；外表面脫碳降低了油管的耐腐蝕能力，在服役過程中管材外表面接觸水及空氣的位置發生氧腐蝕，形成腐蝕坑，腐蝕坑底部產生應力集中成為疲勞裂紋源；在外力作用下疲勞裂紋不斷擴展，最終導致了油管的斷裂失效。

油管；腐蝕疲勞斷裂；脫碳

用于油氣田的油管，服役過程中要承受來自內部及外部的復雜應力載荷，同時還要受到作業環境中多種腐蝕介質的復合作用，服役條件極為惡劣[1-2]。近年來，油管失效造成危害的案例頻發，嚴重影響了油氣田的正常生產，導致重大經濟損失，同時也造成了不同程度的環境污染。2015年，某油田直井氣井依照作業程序，在正常產氣56 d(天)后，將之前下入的所有油管提出，更換產氣層。提井時發現懸重與井內管重不符，隨后發現油管發生了斷裂失效。筆者進行了綜合理化檢驗，結合現場工況對該油管失效過程及原因進行了分析，旨在為油氣井用油管的選材及使用提供技術參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

失效油管為抗硫化氫腐蝕平端特殊扣油管，規格為φ73.02 mm×5.51 mm，材料牌號為AG110S，供貨技術條件為《抗硫化氫腐蝕平端套管、平端油管及接箍坯料供貨技術協議》。失效油管的宏觀形貌如圖1所示。該油管所在井為直井氣井，所產氣體含硫，井深3 800 m，共下入395支油管，失效油管為距離井口第72支油管。

圖1 斷裂油管的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fractured oil tube

圖2 油管斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the oil tube

斷裂油管的斷口宏觀形貌如圖2所示，斷口基本平齊，有明顯的“人字紋”特征，“人字紋”收斂于管體外表面。使用超景深光學顯微鏡進行觀察，斷口外表面可看到3個裂紋源，如圖3所示，靠外表面的裂紋源區明顯有半圓形平臺特征，斷口表面有褐色的腐蝕產物。

圖3 斷口裂紋源形貌Fig.3 Macroscopic morphology of thecrack source area of the fracture surface

1.2 化學成分分析

使用ARL 4460型直讀光譜儀對油管進行化學成分分析，結果見表1。分析結果顯示，該油管的化學成分滿足技術協議的要求。

1.3 力學性能測試

從油管管體取樣，利用UH-F500KNI型材料試驗機、RB 2002型硬度計及PIT302D型沖擊試驗機，對管體材料進行力學性能測試，試驗結果見表2。從分析結果可以看出，該油管的力學性能滿足技術協議的要求。

表1 油管化學成分分析結果(質量分數)

表2 油管力學性能測試結果

1.4 金相檢驗

從未斷裂的管體取樣，利用MEF4M型金相顯微鏡及圖像分析系統對管體進行金相檢驗。結果顯示，試樣顯微組織為回火索氏體，晶粒度為7.0級，滿足技術協議中晶粒度等級大于等于7級的要求；試樣內外表面均有脫碳層，如圖4～5所示。沿管體環向每隔一定的距離橫向取樣，分別編號為試樣1～5，測量管體內外表面的脫碳深度，結果見表3?？梢钥闯觯荏w外表面的脫碳層深度明顯大于管體內表面的。

管體斷口外表面“人字紋”收斂形貌表明有3個明顯裂紋源，選取其中一個裂紋源區進行剖析。觀察發現，試樣斷口及外表面有腐蝕坑，試樣外表面靠近斷口處腐蝕坑底有裂紋，如圖6所示。裂紋平行于斷面，腐蝕坑及裂紋內填滿腐蝕產物，斷口及裂紋周圍組織未見異常。斷口及表面的腐蝕產物高倍觀察發現，腐蝕產物從顏色上可分為兩層，最外層腐蝕產物呈灰色，較為疏松；靠近基體的腐蝕產物顏色較深，呈灰黑色，較為致密，如圖7所示。

圖4 外表面脫碳形貌Fig.4 Decarburization morphology of the outer surface

圖5 內表面脫碳形貌Fig.5 Decarburization morphology of the inner surface

圖6 外表面靠近斷口處腐蝕坑底裂紋形貌Fig.6 Crack morphology in the bottom of the corrosion pit on the outer surface

項目試樣1試樣2試樣3試樣4試樣5平均值內表面脫碳層深度0.080.090.090.110.110.10外表面脫碳層深度0.190.140.130.180.170.16

圖7 斷口腐蝕產物形貌Fig.7 Morphology of corrosion products on the fracture surface

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從管體斷口裂紋源區處取樣，進行掃描電鏡及能譜分析。斷口低倍觀察發現明顯的貝紋線及瞬斷區放射線，高倍觀察發現斷口表面均被腐蝕產物覆蓋，如圖8所示。

圖8 斷口裂紋源區掃描電鏡形貌Fig.8 SEM morphology of the crack source of the fracture surface:a) at low magnification; b) at high magnification

對斷口及腐蝕坑底裂紋內觀察到的腐蝕產物進行能譜分析，結果如圖9～12及表4所示。能譜分析結果顯示，斷口附近腐蝕坑內的外層腐蝕產物中硫元素含量(31.42%，質量分數，下同)較內層腐蝕產物中硫元素含量(6.01%)要高，內層腐蝕產物中氧元素含量(29.39%)較外層腐蝕產物中氧元素含量(10.01%)要高。裂紋源區斷口外層表面腐蝕產物中硫元素含量(37.51%)較內層腐蝕產物中硫元素含量(11.88%)要高，而內層腐蝕產物中氧元素的含量較高，而外層腐蝕產物中未發現氧元素。

2 分析與討論

失效油管的理化檢驗結果表明，該油管的化學成分、拉伸性能、沖擊性能、洛氏硬度、顯微組織及晶粒度均符合技術協議的要求。管體顯微組織為回火索氏體，管體內外表面均有明顯的脫碳層，且油管外表面的脫碳層深度明顯大于內表面的。

圖9 外表面靠近斷口處外層腐蝕產物的能譜分析位置及結果Fig.9 EDS analysis position and result of external corrosion products on the outer surface nearby the fracture:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖10 外表面靠近斷口處內層腐蝕產物的能譜分析位置及結果Fig.10 EDS analysis position and result of inner corrosion products on the outer surface nearby the fracture:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖11 裂紋源區外層腐蝕產物的能譜分析位置及結果Fig.11 EDS analysis position and result of external corrosion products in the crack source area:a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

圖12 裂紋源區內層腐蝕產物的能譜分析位置及結果Fig.12 EDS analysis position and result of inner corrosion products in the crack source area: a) EDS analysis position; b) EDS analysis result

位置FeCOSCrCaSiK外表面靠近斷口處裂紋內裂紋源區外層腐蝕產物50.877.0210.0131.420.68---內層腐蝕產物55.529.6026.396.011.470.430.330.26外層腐蝕產物58.134.36-37.51----內層腐蝕產物42.945.2836.2211.883.43-0.25-

從斷口宏觀形貌來看，斷口具有多源特征，裂紋源區明顯有半圓形平臺。掃描電鏡低倍下可觀察到貝紋線，表明油管斷裂屬于疲勞斷裂[3]。

有文獻研究[4-6]表明，脫碳層的存在會降低油管表面的耐腐蝕能力，促進表面腐蝕坑的形成。據現場提供資料，該油管是在正常產氣56 d(天)后更換產氣層時才發現失效的。該井加裝了封隔器，并采用清水作為洗井液。由于油管與套管的環空中存在著一定量的水分及溶解氧，在這種復雜腐蝕介質的作用下，油管外表面首先發生氧腐蝕，形成腐蝕坑，坑內產生氧化物[7]。另外，油管所在的井為直井氣井，所產氣體含硫，該井共下入395支油管，失效油管為距離井口第72支。失效油管在使用過程中除了承受較大的拉伸載荷(自重產生)外，還承受循環的拉壓氣動載荷。油管外表面腐蝕坑的形成，會在坑底部形成明顯的應力集中區，從而導致裂紋優先在腐蝕坑底部形核。油管使用過程中，由于表面反復承受拉壓載荷，裂紋在硫及氧介質的共同作用下，向管體內壁進一步擴展，直至穿透壁厚，而管體內部高含硫介質的泄漏，進一步加劇了裂紋表面(或斷口表面)腐蝕，最終導致了油管斷裂失效。

3 結論及建議

(1) 油管的化學成分、力學性能均符合技術協議要求，管體顯微組織為回火索氏體，管體內外表面均有脫碳特征，且外表面的脫碳層深度大于內表面的。油管外表面脫碳的存在促進了外表面氧腐蝕的形成。

(2) 油管失效屬于腐蝕疲勞斷裂，在使用過程中，油管外表面與水及空氣接觸發生氧腐蝕形成的腐蝕坑為疲勞源。油井內含硫介質的存在，加劇了油管的腐蝕，促進了疲勞裂紋快速擴展，導致油管斷裂失效。

(3) 建議改進油管的熱處理工藝，避免表面脫碳層的形成。

[1] 張鳳武,趙學增,王偉杰.油管無損探傷現狀及發展前景[J].油氣地面工程,2003,22(9):91-91.

[2] 汪潔云.國內外油管現狀與加快我國油管發展速度的建議[J].鋼管,2000,29(2):44-46.

[3] 李鶴林,李平全,馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預防[M].北京:石油工業出版社,1999:84.

[4] 李方坡,王勇.表面脫碳對S135鉆桿服役性能的影響[J].金屬熱處理,2015,40(7):164-167.

[5] 王廣生,石康才,周敬恩,等.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京:機械工業出版社,2007:100.

[6] 李方坡,劉永剛,路彩虹,等.G105鉆桿管體刺穿失效分析[J].金屬熱處理,2010,35(11):99-102.

[7] 劉永剛,王建平,張偉,等.S135鉆桿刺漏失效分析及疲勞驗證試驗[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(8):583-589.

Failure Analysis on Fracture of a Tubing Used in an Oilfield

ZHU Lixia, LI Jinfeng, QU Tingting, ZHANG Hua, TONG Ke

(CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi’an 710077, China)

A tubing used in an oilfield for a vertical gas well fractured after 56 days regular gas production. Macroscopic examination, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis were used to comprehensively investigate the failure reasons of the oil tube. The results show that: the fracture of the oil tube belonged to the corrosion fatigue fracture; and the decarburization on the outer surface reduced the corrosion resistance of the oil tube; during the service process, the oxygen corrosion occurred on the outer surface where the water and air contacted, and the corrosion pitting formed; the stress concentration generated in the bottom of corrosion pitting, and induced the fatigue crack source; under the action of external force, fatigue cracks propagated constantly, and finally led to the fracture failure of the tubing.

tubing; corrosion fatigue fracture; decarburization

10.11973/lhjy-wl201707013

2016-08-09

朱麗霞(1980-)，女，高級工程師，碩士，主要從事油氣輸送管材的組織與性能研究，zhulx@cnpc.com.cn

TG172

B

1001-4012(2017)07-0510-05