N80加厚油管過渡區斷裂原因分析

謝建雷，閆泓，李真，郭振坤

中國石油渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司（天津 300280）

近年來，隨著油氣井開采深度的不斷加深，對于加厚油管需求量也在不斷增加[1]。油管按照API Spec 5CT—2011標準分為平式油管、加厚油管和整體接頭油管[2]，其中加厚油管由于管端壁厚增加及螺紋牙型增大，其連接強度得到了明顯的提升。

大老李已經五十多歲了，還從五十里外的西平老家來這里下井。他的背微駝，和我們常常見到的那種老實巴交的高個子男人一樣，整天不怎么言語。他的大女兒讀高中，兒子小學。大老李極疼他的孩子，他常常盯著一張皺巴巴的照片看，那是他們的全家福。他還買些紙筆書包的存著，說等到回家的時候給孩子帶回去。他說，現在農村的孩子們除了讀書這條道再沒其他出路了。看來他是極想把自己的孩子培養成大學生的。然而此刻，西山轟隆一聲，一縷灰煙過后，大老李兩腿一蹬，雙眼一閉，唉，都他媽的過去了。完蛋了，一切都完蛋了。

在某油田一口采油井，井深4 200 m，采用Ф 73.02 mm×5.51 mm N80加厚油管進行采油作業，在下油管的過程中，發現第327根加厚油管過渡區出現裂紋，隨后將整井油管全部起出更換。

1 斷口宏觀形貌分析

油管出現裂紋的位置靠近工廠端（圖1），斷口在加厚油管過渡區部位，處于加厚厚度開始減小的地方，裂紋位置距接箍端面50 mm左右。圖2為失效油管斷口圖，由圖2看到斷口裂紋沿圓周分布，周向裂紋占圓周長度的1/2。裂紋整體整齊，切開后能看到斷口比較平整，裂紋附近未發現明顯的塑性變形，裂紋擴展線未發現明顯的凹凸不平。

2 斷裂原因失效分析

2.1 管體力學性能及化學成分分析

1）通過對該批油管鐓粗工藝的追溯，其鐓鍛過程為管端加熱、鐓粗[3]，之后正火處理僅是對管端部分。由于失效油管加厚部位較短，無法取得拉伸試樣[4]，而油管管體的力學性能鐓粗前后是不變的，故僅對油管管體力學性能及化學成分進行驗證。從事故油管管體上取樣，進行縱向拉伸性能及化學成分分析，采用WAW-1000C拉伸試驗機對管體進行拉伸性能測試，試驗結果見表1。結果表明，事故管管體的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足APISpec 5CT—2011的要求，性能合格。

圖2 失效油管斷口

對失效油管斷口位置進行電鏡掃描分析，以確認其斷裂形式[5]，如圖3、圖4所示。

為了進一步分析油管斷裂的主要原因，對啟裂點附近基體及夾渣物進行能譜分析，圖7為啟裂點附近基體的能譜分析圖，圖8為啟裂點附近夾渣物的能譜分析圖，表3為啟裂點能譜分析結果。

表1 事故油管管體拉伸性能試驗結果

表2 事故油管管體化學成分試驗結果

2.2 斷裂形式掃描電鏡分析

2）采用DV-4型直讀光譜儀對試樣材料進行化學成分分析，試驗結果見表2。結果表明，管體的化學成分符合APISpec5CT—2011的要求。

物質提取了精華或使用后的殘剩物謂之渣。甘蔗榨出了糖分叫蔗渣，芝麻煉出了香油叫麻渣，熬過的中藥材叫藥渣，提取了豆漿的豆品叫豆腐渣，燃燒過了的煤叫爐灰渣，沒有燒透的叫煤渣，糕點面包吃剩的碎屑叫點心渣、面包渣，當然是殘剩物意義上的渣而非提取了精華的渣。土渣不叫土渣，叫渣土。此外，還有鋼渣、油渣兒以及沉渣、廢渣等等。

圖3 斷口啟裂點處X13

圖4 斷口啟裂點處X1400

通過四維度信息組合，得到最優運行控制策略C。該控制策略主要是指在不同模式、不同時序、不同空間分布和多約束條件下對基礎設備進行參數的操作控制。以選取的含風光儲氣型的多級分布式電源/微電網系統為例，其主要控制策略有：

2.3 管體部位和斷口部位金相對比

從失效油管管體和斷口位置分別切取金相試樣，經預磨、拋光后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡下進行顯微組織分析，試驗結果如圖5、圖6所示，管體的基體組織為珠光體和鐵素體，而斷口位置存在粗大的馬氏體組織，屬于非正常組織。

圖5 正常管體的基體金相組織

圖6 斷口位置的基體金相組織

結合斷裂油管宏觀分析、管體力學性能試驗、金相對比試驗及斷口電鏡掃描分析可以看出，斷口位置存在粗大的馬氏體組織，斷口平整部位存在大量的解理臺階，在啟裂源附近存在夾渣物，為明顯的脆性斷裂形貌。通過以上初步分析結果可知：

從圖3中可以看出，斷口有明顯的啟裂點和裂紋擴展區，在X13倍的放大倍數下，能看到冰糖狀的沿晶斷裂；從圖4可以看出，將斷口啟裂點在X1400的放大倍數下，微觀斷裂機理又表現出大量的淺韌窩狀并伴有少量的小解理臺階。由此可見：從微觀上看，局部斷裂機理是大量的淺而密的韌窩和小解理臺階，宏觀上分析斷裂形式為脆性斷裂。

2.4 啟裂點處掃描電鏡分析

管體的力學性能及化學成分試驗結果都符合API Spec5CT—2011的要求，說明油管加厚鐓粗之前是符合標準要求的。

該設計的優越性是在子站服務器、主服務器和應用服務器等相關服務器配置好各類應用對應的數據模型的前提下，當岸基用戶或船舶工作站有應用請求時，可快速、高效地從分布式數據庫中準確提取數據，避免遍歷數據造成船舶數據網絡擁堵、耗時等。

圖7 啟裂點附近基體的能譜分析

圖8 啟裂點附近夾渣物的能譜分析

從掃描電鏡分析可知，能譜分析結果顯示啟裂點附近基體成分以Fe為主。已找出加厚油管斷口的啟裂源，在啟裂源的附近發現了夾渣物，經掃描電鏡成分分析發現夾渣物成分主要以C、O元素為主。由此分析油管斷裂原因是：油管鐓粗加熱過程中溫度控制出現問題，出現“過燒”和低熔點夾雜溶解，形成夾渣物殘留在加厚油管過渡區，產生脆性裂紋源。后期生產過程中經過接箍上緊、靜水壓試驗將其缺陷擴大，加厚油管下井過程中再次受到拉伸載荷，使裂紋進一步擴展，發生斷裂。

表3 啟裂點能譜分析結果 /%

3 結論及建議

馬氏體組織具有較高的硬度和較差的韌性[5]，油管鐓粗過程中溫度控制不當，使加厚油管過渡區出現馬氏體組織，降低了油管的韌性，使用過程中容易出現脆性斷裂。

1）油管管體性能及化學成分合格，說明油管加厚鐓粗之前是符合標準要求的。

2）斷裂形式宏觀上為脆斷，斷裂處存在原始脆性裂紋源。

從表4中可以看出，量表中3個維度和總量表的Cronbach'a 系數都大于0.70，說明具有良好的信度。

3）油管鐓粗過程中溫度控制不當，造成油管“過燒”，低熔點夾雜溶解，形成夾渣物殘留在加厚油管過渡區，產生脆性裂紋源，是造成油管斷裂的主要原因。

4）建議油管在鐓粗過程中嚴格控制溫度，使奧氏體組織全部轉變為珠光體和鐵素體，保證油管的強韌性要求。