316L不銹鋼液控管線失效分析*

顧啟林，孫永濤，馬增華，董社霞，朱春明

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津300459）

316L不銹鋼液控管線失效分析*

顧啟林，孫永濤，馬增華，董社霞，朱春明

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津300459）

316L不銹鋼液控管線在某油田注汽井服役過程中出現(xiàn)了多條裂紋，導致液壓油滲漏。通過宏觀檢驗、金相分析、成分分析、掃描電鏡（SEM）觀察及能譜分析（EDS）等檢測方法對液控管線失效原因進行了分析。分析結果表明：316L不銹鋼液控管線在高溫（260℃）、高壓（19.5 MPa）下工作，環(huán)境中存在氯離子和氧，在拉應力共同作用下發(fā)生了應力腐蝕開裂（SCC）。

316L不銹鋼 液控管線 應力腐蝕開裂 失效

某油田蒸汽吞吐井開展熱采井下安全工具試驗期間，使用φ6.35 mm的316L不銹鋼液控管線控制井下安全閥的開啟、關閉。液控管線處于油套環(huán)形空間，經油管接箍，通過管線保護器固定到φ114.3 mm的隔熱油管上。管線內部充滿高溫液壓油，周圍介質為高溫高壓的水、蒸汽、氮氣和氧氣等混合流體，最高工作溫度約為260℃，最高工作壓力約為19.5 MPa［1］。燜井期間液控管線出現(xiàn)壓力逐漸下降現(xiàn)象，補壓后快速下降，且無法泄壓至零，導致安全閥無法正常關閉。起井后發(fā)現(xiàn)，位于170～200 m井段的液控管線存在多處裂紋。為找出原因以防止腐蝕開裂再次發(fā)生，對發(fā)生腐蝕的部位進行了詳細檢查分析。

1 檢測分析

1.1 宏觀檢驗

根據腐蝕程度，從液控管線不同位置取樣，進行宏觀檢查及裂紋水穿透性檢測試驗，結果見圖1和圖2。由圖1和圖2可以看出，液控管線存在多條貫穿管線內外的平行微裂紋，裂紋均分布在管線存在拉應力的一側［2］。

圖1 液控管線裂紋

圖2 液控管線裂紋水穿透性檢測

1.2 顯微形貌分析

采用體視顯微鏡對液控管線斷口形貌進行觀察，顯微形貌見圖3和圖4。由圖3可以看出，1號樣品裂紋內部斷口平整，裂紋外部未見明顯的塑性變形；由圖4可以看出，2號樣品裂紋尖端呈分叉狀，存在明顯的二次裂紋［3］。

圖3 1號樣品裂紋顯微形貌

圖4 2號樣品裂紋顯微形貌

1.3 金相分析

使用金相顯微鏡對液控管線進行金相組織觀察和分析，圖5為兩處裂紋的顯微組織和形貌。由圖5可以看出，液控管線基體組織和裂紋周邊組織均為奧氏體，無明顯差異，裂紋呈樹枝狀，屬典型的穿晶型裂紋［4］，一些晶粒表面還可看到點狀腐蝕坑。

1.4 成分分析

將液控管線切斷分段后，在丙酮中進行超聲清洗，去除管線內外油污，然后對管線基體進行電子能譜分析（EDS）［5-6］，結果見表 1。由表 1可知，失效的液控管線基體的主要化學成分Cr，Ni，Mo和Mn含量均符合標準API Spec 5L規(guī)定的316L不銹鋼的標準成分要求，材質屬于316L奧氏體不銹鋼。

圖5 裂紋處的顯微組織和形貌

表1 失效液控管線基體化學成分 w，%

1.5 掃描電鏡形貌觀察

對樣品的裂紋表面和內部進行掃描電鏡（SEM）觀察和EDS，結果見圖6至圖12。

圖6 1號樣品裂紋表面的SEM形貌

圖6為1號樣品裂紋表面的SEM形貌，可見裂紋處韌窩不顯著，主要為腐蝕作用形成的裂紋形態(tài)［7］。圖7和圖8為1號樣品裂紋內部的SEM形貌和EDS分析結果，可見裂紋內部有含O，Mo，Ni和Fe等元素的腐蝕產物。圖9至圖12分別為2號樣品裂紋表面、裂紋內部的SEM形貌和EDS分析結果，可見裂紋表面和裂紋內部均存在明顯腐蝕產物［8］。

圖7 1號樣品裂紋內部SEM

圖8 1號樣品裂紋內部EDS

圖9 2號樣品裂紋表面SEM

圖10 2號樣品裂紋表面EDS

2 失效原因分析

2.1 工作溫度

液控管線在井下所處的狀態(tài)見圖13，注蒸汽期間油套環(huán)空的溫度逐漸升高，導致液控管線的強度和韌性下降，且在200～300℃內，316L不銹鋼具有應力腐蝕開裂敏感性，較高的工作溫度加速了液控管線開裂失效的過程［9-10］。

2.2 工作應力

注蒸汽期間油套環(huán)空的溫度逐漸升高，液控管線受熱伸長，處于拉伸狀態(tài)，且抗拉伸性能逐漸下降。

圖11 2號樣品裂紋內部SEM

圖12 2號樣品裂紋內部EDS

圖13 液控管線井下狀態(tài)

2.3 工作介質

（1）注蒸汽前，油套環(huán)空中充滿了生產水和原油的混合物，含有一定量的氯離子，而奧氏體不銹鋼對含有氯離子的介質特別敏感。注蒸汽過程中，油套環(huán)空溫度逐漸升高，由于溶液中存在氯離子，將會加速腐蝕開裂［11］；

（2）注蒸汽過程中，向油套環(huán)空注入的氮氣中含有體積分數4%的氧氣，滿足奧氏體不銹鋼高溫高壓純水含氧介質的應力腐蝕條件。

綜上所述，在溫度、應力以及介質中氯離子和氧的聯(lián)合作用下［12］，液控管線產生應力腐蝕裂紋源，隨后裂紋繼續(xù)發(fā)展，最后在應力和腐蝕的交替作用下［13］，液控管線最終發(fā)生穿透泄漏而失效。

3 結 論

（1）介質中存在氯離子和氧氣，在拉應力共同作用所導致的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂（SCC）是316L不銹鋼液控管線失效的主要原因；

（2）高溫服役環(huán)境（最高溫度260℃）加劇了316L不銹鋼液控管線的開裂失效過程。

［1］ 李瑞川，莊傳晶，閆化云，等.海上某油田生產井316L銹鋼毛細管泄漏失效分析［J］.腐蝕與防護，2016，37（10）：816-820.

［2］ 曹福祥，張啟禮.奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋失效分析及對策［J］.南方金屬，2008，162（3）：9-11.

［3］ 張利濤，王儉秋.國家鍛態(tài)核級管材316L不銹鋼在高溫高壓水中的應力腐蝕裂紋擴展行為［J］.金屬學報，2013，49（8）：911-916.

［4］ 王東麗，高磊，張瑩瑩，等.316L高鉬不銹鋼耐蝕性分析［J］.材料熱處理技術，2010，39（12）：52-53.

［5］ 黃亞敏，吳佑明，潘春旭.奧氏體不銹鋼超高溫氧化失效機理研究［J］.鄭州大學學報（工學版），2009，30（1）：53-56.

［6］ 王鳳平，李曉剛，林翠，等.316L不銹鋼法蘭腐蝕失效分析與對策［J］.腐蝕科學與防護技術，2003，15（3）：180-183.

［7］ 高進，孫金廠.金屬材料應力腐蝕失效分析［J］.山東輕工業(yè)學院學報，2001，15（1）：47-49.

［8］ 趙洪友.316L不銹鋼波紋管腐蝕失效分析［J］.金屬熱處理，2015，40（3）：183-185.

［9］ 王志軍，凌國平.雙相不銹鋼管路的腐蝕失效分析［J］.技術熱處理，2013，38（8）：116-122.

［10］關矞心，李巖，董超芳，等.高溫水環(huán)境下溫度對316L不銹鋼應力腐蝕開裂的影響［J］.北京科技大學學報，2009，31（9）：1122-1126.

［11］張耀豐，陸曉峰，丁毅，等.不銹鋼冷凝管的開裂失效原因分析［J］.壓力容器，2003，20（8）：47-49.

［12］宋曉峰.海上某油田熱采腐蝕失效分析對稠油蒸汽吞吐工藝的研究［J］.化學工程與裝備，2014（12）：101-104.

［13］劉佐嘉.316L與2205不銹鋼的腐蝕行為研究現(xiàn)狀［J］.腐蝕與防護，2010，31（2）：149-153.

Failure Analysis of 316L Stainless Steel Hydraulic Pipeline

Gu Qilin，Sun Yongtao，Ma Zenghua，Dong Shexia，Zhu Chunming
（COSL Oilfield and Production Research Institute，Tianjin 300459，China）

A number of cracks appeared on 316L stainless steel hydraulic pipeline in service，leading to the leakage of hydraulic fluid.Failure causes of the pipeline were analyzed by means of macroscopic detection，metallographic analysis，composition analysis，SEM and EDS.The results show that the pipeline suffered from stress corrosion cracking（SCC）due to the interaction of chloride ions，oxygen ions and tensile stress under high temperature and high pressure（260℃，19.5 MPa）.

316L stainless steel，hydraulic pipeline，SCC，failure

2017-06-20；修改稿收到日期：2017-09-21。

顧啟林（1986—），碩士，中級采油工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上稠油開采工作。E-mail：guql2＠cosl.com.cn

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“規(guī)模化多元熱流體熱采工程技術示范”（2016ZX05058-003-009）。

（編輯 王維宗）