27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋成因分析

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(攀鋼集團研究院有限公司, 攀枝花 617000)

27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋成因分析

鄧通武,陳亮,李紅光,柯曉濤

(攀鋼集團研究院有限公司, 攀枝花 617000)

某廠生產的27CrMoTi鋼套管經車削加工后，在螺紋表面發現有裂紋缺陷。采用化學成分分析、宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗等方法，分析了裂紋的產生原因。結果表明：27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋內部存在大量夾雜物，為連鑄結晶器保護渣卷渣造成的；在熱軋穿管時，應力集中致使套管萌生裂紋，且擴展成為表面裂紋。

27CrMoTi鋼；套管；裂紋；夾雜物；卷渣

套管是石油工業中大量使用的管具，在井筒中起到支撐井壁、封固地層和防坍塌的作用[1]，通常要承受幾百甚至上千個大氣壓的內壓或外壓、幾百噸的拉伸載荷，還有高溫及嚴酷的腐蝕介質作用。套管的安全穩定要求很高，一次下井要長期使用，這是油田長期穩定高產的關鍵因素[2]。我國油田每年因套管損壞造成油井破壞或報廢的經濟損失就達數十億元，套管的損壞嚴重阻礙了油田的正常生產，已成為目前國內外石油開采亟需解決的重要問題[3]。

27CrMoTi鋼具有良好的抗硫化氫腐蝕能力，可以滿足含硫化氫腐蝕條件下的完井應用[4]，因此27CrMoTi鋼成為石油套管中常用的材料。某廠生產的27CrMoTi鋼套管尺寸為φ193.68 mm×15.88 mm，生產工藝為：120 t轉爐冶煉→120 t電加熱爐精煉→120 t真空循環脫氣精煉處理→360 mm×450 mm方坯連鑄→緩冷→加熱→管坯軋制→緩冷→加熱→穿孔→軋管→精整→調質處理→螺紋加工。經車削加工后，在套管螺紋表面發現有條狀的白亮裂紋存在。在套管的服役過程中，套管外部的流體或氣體會滲入井內或進入套管與巖壁的孔隙位置，隨著流體與氣體的分離，氣體在環空上方匯集，形成硫化氫氣塞，具有很強的腐蝕性，并最終導致套管腐蝕[5]。筆者針對27CrMoTi鋼套管表面存在的裂紋，采用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等儀器設備，系統分析了裂紋的形成原因，以避免類似缺陷的再次出現。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

采用光譜法對27CrMoTi鋼套管材料進行化學成分分析，分析結果見表1，可見各元素含量均滿足API 5CT-2012的技術要求。

表1 27CrMoTi鋼套管材料的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the material of 27CrMoTi steel casing pipes (mass fraction) %

1.2 宏觀觀察

經螺紋車削加工后，發現27CrMoTi鋼套管螺紋表面存在肉眼可見的條狀白亮色缺陷。在體視顯微鏡下觀察，缺陷呈鋸齒微裂紋狀，長度約為10 mm，其宏觀形貌見圖1。

圖1 27CrMoTi鋼套管表面裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracks on the surface of 27CrMoTi steel casing pipes

1.3 掃描電鏡及能譜分析

在27CrMoTi鋼套管表面裂紋處切取尺寸為20 mm×20 mm×7.5 mm的金相試樣，經丙酮清洗后，采用JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)進行形貌觀察和能譜分析。

圖2為掃描電鏡下觀察到的27CrMoTi鋼套管表面裂紋形貌，可見在裂紋一側呈現出明顯的物理剝落現象，且順著加工方向，有較多細小劃痕。在裂紋內部和附近區域沒有發現明顯的大顆粒夾雜物，但有較多細顆粒物和圓形小坑，初步推測圓形小坑是在機加工過程中夾雜物脫落所致。

圖2 27CrMoTi鋼套管表面裂紋的掃描電鏡形貌Fig.2 SEM morphology of cracks on the surface of 27CrMoTi steel casing pipes

對27CrMoTi鋼套管表面裂紋區域進行能譜分析，分析位置見圖3，分析結果見表2。可見裂紋內部和周邊的細顆粒物成分主要以鈣、鋁元素為主，還有少量的鎂、鉀、磷等元素。對裂紋部位進行面掃描，發現有較多鈣、鋁、鎂、氧等元素存在，并有少量的鉀、磷元素。

圖3 裂紋區域能譜分析位置Fig.3 Analysis positions of energy spectrum for crack area

表2 裂紋區域能譜分析結果(質量分數)Tab.2 Analysis results of energy spectrum for crack area (mass fraction) %

由于27CrMoTi鋼套管螺紋表面經車削加工后，大量的夾雜物已經脫落呈現出許多小坑，因此沿垂直于裂紋方向截取試樣，磨制、拋光后，在拋光態下采用掃描電鏡對裂紋內部進行形貌觀察和能譜分析。

裂紋內部形貌及能譜分析位置如圖4所示，能譜分析結果如表3所示。由結果可見，從裂紋根部到端部存在大量夾雜物，夾雜物仍然以鋁、鈣元素為主，還有少量的鎂、鈉、鉀等元素。

圖4 裂紋內部形貌及能譜分析位置Fig.4 Inside morphology of cracks and analysis positions of energy spectrum

表3 裂紋內部能譜分析結果(質量分數)Tab.3 Analysis results of energy spectrum for area inside cracks (mass fraction) %

1.4 金相檢驗

將掃描電鏡試樣在4%(體積分數)硝酸酒精溶液中進行侵蝕，然后采用AXIOVERT-200MAT型金相顯微鏡進行觀察。

圖5為27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋的拋光態和侵蝕態形貌，可見表面有兩條微裂紋，沿鋼管的徑向分布，在裂紋內部也有大量的細顆粒夾雜物，沒有氧化、脫碳現象，裂紋附近組織與基體組織相同，未見異常。

圖5 27CrMoTi鋼套管螺紋裂紋區域的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of crack area of 27CrMoTi steel casing pipes: a) polished state; b) erosive state

2 分析與討論

根據理化檢驗結果可知，從套管表面裂紋的根部到端部發現有大量夾雜物存在，且裂紋附近組織無異常，因此套管表面裂紋是由夾雜物引起的。在熱軋鋼管時，由于在高溫下鋼基體的塑性增加，而夾雜物本身變化不大，夾雜物與鋼基體之間的變形能力差別增大，導致夾雜物從鋼基體的界面很快脫落。在夾雜物尖角處，由于應力集中而萌生裂紋，隨著軋制的進行，裂紋不斷擴展，形成裂紋通道。同時，由于夾雜物存在于基體內部，軋制變形時受到四周金屬的限制，裂紋不易擴展形成較大裂紋，由此便形成了所觀察到的微裂紋形貌。

在螺紋加工過程中，在車削刀具的機加工應力作用下，較高硬度的夾雜物極易脫落，因此在車削表面沒有發現大量的夾雜物存在，僅有少量夾雜物殘留，而從橫向面上的裂紋內卻能觀察到大量夾雜物存在。夾雜物剝落后，部分附著在刀具或管體表面，順著刀具的加工方向將基體劃傷，產生了圖2所觀察到的在裂紋一側、順著刀具的加工方向有明顯的劃傷痕跡。

從裂紋內夾雜物的能譜分析結果來看，夾雜物以鈣、鋁元素為主，并含有少量的鎂、鈉、鉀等元素，與該廠連鑄結晶器保護渣的成分近似。因此，初步推斷該裂紋產生的原因為結晶器卷渣[6]。

根據裂紋產生原因的初步推斷，對該批次套管的生產工藝及鑄坯、圓管坯質量進行了調查。調查結果發現：①該批次生產的27CrMoTi鋼鑄坯一般疏松等級和中心疏松等級均為1.0級，無其他缺陷；②圓管坯上隨機取樣的夾雜物檢驗結果為A0.5，B0.5，C0.5，D0.5，表明該批次圓管坯的脫氧及精煉控制良好；③拉速穩定控制在0.55 m·min-1左右，無明顯波動；④在澆鑄最后兩爐鋼時，其中一流的液位控制裝置出現異常，導致顯示數值與實際液位波動不一致，產生裂紋缺陷的爐次也正好與該兩爐鋼的爐號相吻合。

結合理化檢驗結果和工藝、質量調查結果可以判定，27CrMoTi鋼套管表面裂紋的產生原因為，液位異常波動造成卷渣，在熱軋穿管時，鋼材在應力的作用下萌生裂紋。

3 改進措施

(1) 針對液位控制裝置異常的情況，制定了結晶器液位控制系統電壓檢測措施。通過二次儀表監測電壓情況，超出設定值后及時進行維修，保證液位控制系統的穩定性。

(2) 加強生產管理及過程控制，嚴格連鑄工藝的操作，控制澆鑄鋼液過熱度在20～40 ℃，以(0.50±0.05) m·min-1的鑄坯拉速進行恒速澆鑄，確保結晶器液面穩定，防止卷渣。

(3) 采取以上措施后，結晶器液位控制系統穩定，液位波動值控制在±5 mm以內，生產的27CrMoTi鋼套管沒有再出現類似裂紋缺陷。

4 結論

(1) 27CrMoTi鋼套管螺紋裂紋內部存在大量夾雜物，其化學成分與連鑄保護渣的近似，工藝調查也發現其中一流出現液位異常波動情況，由此判斷夾雜物的來源為連鑄結晶器保護渣。在熱軋穿管時，由于應力集中在夾雜物區域萌生裂紋，并擴展成為表面裂紋。

(2) 通過采取強化設備檢查、規范操作、穩定結晶器液位等措施，27CrMoTi鋼套管有效避免了類似裂紋缺陷的再次出現。

[1] 曾鐘,王飛宇,侯鐸,等.P110套管螺紋斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(5):357-360.

[2] 尹寶俊,趙文軫,張延玲,等.長慶H油井套管的腐蝕與開裂機理研究[J].石油礦場機械,2004,33(5):28-33.

[3] 李平全.力學和環境服役條件及其對油套管的要求——《油套管標準研究、油套管失效分析及典型案例》(1)[J].鋼管,2006,35(4):57-60.

[4] 張宏軍,楊啟偉.勝利油田固井技術研究及應用現狀與發展[J].鉆采工藝,2010,33(5):39-43.

[5] 張衛斌.套管損壞的原因及預防[J].化工設計通訊,2017,43(6):244.

[6] 紀緋緋.鋼中皮下夾雜產生原因分析[J].山東冶金,2002,24(5):43-46.

CauseAnalysisonSurfaceCracksofThreadof27CrMoTiSteelCasingPipes

DENGTongwu,CHENLiang,LIHongguang,KEXiaotao

(Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, China)

Crack defects were found on surface of thread of 27CrMoTi steel casing pipes produced by one plant after turning process. Causes for cracks were analyzed by methods of chemical composition analysis, macroscopic observation, analysis of scanning electron microscope and energy spectrum, metallographic inspection and so on. The results show that: there were a great amount of inclusions in the interior of surface cracks of thread of 27CrMoTi steel casing pipes, and the inclusions were caused by slag entrapment of mould powder for continuous casting crystallizer; the cracks initiated and propagated to be surface cracks as a result of stress concentration during hot-rolling.

27CrMoTi steel; casing pipe; crack; inclusion; slag entrainment

10.11973/lhjy-wl201711015

TG335.71; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0829-04

2015-00-00

鄧通武(1978-)，男，高級工程師，主要從事優特鋼新產品的開發工作，dengtw@sina.com