連續(xù)油管及工具失效案例分析

王維東 * 汪海濤 喬凌云 王 亮 劉玉棟 郭克星

（1.中國石油寶雞鋼管有限責任公司 2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 3.陜西省高性能連續(xù)管重點實驗室）

0 引言

連續(xù)油管是采用特殊微合金材料和獨特制造工藝技術(shù)生產(chǎn)的一種強度高、塑性好的連續(xù)焊接管材，通常情況下單根長度可達數(shù)千米，同時可進行多次塑性變形。與傳統(tǒng)的螺紋連接油管相比，連續(xù)油管在服役過程中使用更加方便快捷，同時也更安全可靠[1-2]。連續(xù)油管具有良好的塑性、強度、成形性和焊接性，被廣泛應用于石油天然氣行業(yè)，其經(jīng)常用于油田井下作業(yè)，例如修井、測井、鉆井、完井等，還可以用于輸送石油天然氣[3-5]。

失效是裝備由于自身缺陷或服役環(huán)境影響而不能正常運行的現(xiàn)象，這不僅會帶來經(jīng)濟損失，還會影響人身安全。為了設(shè)備避免失效帶來的損失和危害，必須對失效裝備進行分析，明確失效機理，避免同類事件再次發(fā)生。本次研究以連續(xù)油管及其工具服役后產(chǎn)生斷裂失效的樣品為對象，通過檢測及分析得出失效的原因。

1 TS110連續(xù)油管斷裂失效

某油田使用TS110 鋼級， 50.8 mm 的漸變壁厚連續(xù)油管在鉆除橋塞起出到3 385 m 時，注入頭處油管發(fā)生泄漏，管內(nèi)循環(huán)壓力由31 MPa 瞬間下降至14.96 MPa。采用柔性連接器將油管對接后再開始起油管，目前油管深度為3 050 m。起出后觀察斷點處油管，發(fā)現(xiàn)管壁變薄，附近有輕微鼓包現(xiàn)象。據(jù)記錄該連續(xù)油管已投入使用3 個月，累計施工完井6 井次，起下26 趟，使用疲勞程度為50%～55%。

1.1 金相分析

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》標準，采用Leica DMI5000M 金相顯微鏡，對失效樣所取金相試樣進行分析，結(jié)果如圖1 所示。檢測結(jié)果表明：母材組織為F+B，焊縫組織為F+B，熱影響區(qū)組織為F+B。母材晶粒度為12 級，符合API Spec 5ST 標準要求（晶粒度8 級或8 級以上），焊縫及熱影響區(qū)晶粒度分別為10 級、10.5 級。

圖1 失效管樣金相組織

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》標準，采用Durascan 70 硬度計，對樣品進行顯微硬度檢測，檢測結(jié)果如圖2 所示。硬度檢測結(jié)果表明：試樣母材及焊縫硬度均符合API Spec 5ST 標準要求（API Spec 5ST 要求洛氏硬度≤30 HRC，根據(jù)標準ASTM E140-07 換算成維氏硬度為≤302 HV）。

圖2 硬度檢測結(jié)果（HV1.0）

1.2 力學性能

按照ASTM A370 標準，采用ZIWCK1200 拉伸試驗機，對樣品上截取的整管拉伸試樣進行試驗，試驗結(jié)果可見表1。圖3 為拉伸試樣斷口形貌，經(jīng)拉伸試驗后，試樣直徑明顯縮小，斷裂面與拉伸方向呈45°，斷口呈纖維狀、暗灰色，具有較為明顯的韌性斷裂特征。檢測結(jié)果表明：拉伸試樣低于API Spec 5ST 標準規(guī)定的最小屈服強度值（758 MPa），抗拉強度低于最小抗拉強度值（793 MPa），延伸率滿足標準要求。

表1 拉伸試驗結(jié)果

圖3 拉伸試樣斷口形貌

1.3 斷口分析

失效斷口試樣宏觀形貌如圖4 所示，肉眼可以觀察到試樣起裂區(qū)壁厚減薄，斷口內(nèi)壁存在眾多腐蝕坑，且沿管體周向壁厚中心處有凸起或凹陷異物規(guī)則排列。

采用日立S-3700N 掃描電子顯微鏡對斷口進行觀察，結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)斷口處弧線可以推斷，斷口從連續(xù)油管內(nèi)壁起裂，并沿壁厚方向擴展至外壁斷裂。進一步對失效斷口進行觀察后發(fā)現(xiàn)，壁厚中心存在偏析和夾雜，如圖5 所示。對斷口夾雜物進行能譜分析發(fā)現(xiàn)其主要為O、Fe、Mg、Si 等元素，如表2 所示。

圖4 失效斷口起裂區(qū)形貌

圖5 斷口腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析結(jié)果

表2 斷口夾雜物EDS能譜元素質(zhì)量分數(shù) %

1.4 綜合分析

送檢樣品為服役后的連續(xù)油管，其化學成分、硬度、延伸率、壓扁試驗、擴口試驗及晶粒度均符合API Spec 5ST 標準規(guī)定。通過金相和掃描電鏡可知，管壁周向壁厚中心存在偏析和氧化物夾雜，偏析和夾雜的存在容易產(chǎn)生引力集中和裂紋萌生[6-7]。屈服強度下降幅度約19%，抗拉強度下降幅度約5%，若使用時超過現(xiàn)有強度，就會引起過載。連續(xù)油管內(nèi)壁存在大量的腐蝕坑，從內(nèi)壁的腐蝕坑處萌生裂紋，并沿壁厚方向擴展至外壁后斷裂。

由此推斷，該連續(xù)油管斷裂失效的主要原因是油管強度下降，超過最大屈服強度后就會過載，并且管內(nèi)壁有腐蝕坑，腐蝕會促進裂紋萌生，隨后在較大拉力作用下，管體斷裂失效。

2 連續(xù)管液壓丟手公扣斷裂

西南油田某工程作業(yè)隊使用連續(xù)油管進行通井，進行井下作業(yè)時油管發(fā)生斷裂，起出后發(fā)現(xiàn)連接連續(xù)管和工具串的液壓丟手發(fā)生失效，其宏觀斷口形貌如圖6 所示，其內(nèi)壁有機械加工痕跡。取出后發(fā)現(xiàn)，井口沒有檢測出硫化氫，地面取氣樣化驗硫化氫體積分數(shù)為2 200×10-6。

圖6 失效樣宏觀形貌

2.1 斷口分析

對失效斷口進行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)靠近試樣內(nèi)壁有明顯的腐蝕痕跡，并且內(nèi)壁有劃傷痕跡，如圖7所示。斷口呈多源起裂特征從內(nèi)壁向外壁擴展，起裂區(qū)有大量的沿晶形貌，呈脆性斷口，擴展區(qū)也有較多的沿晶斷口形貌，沿晶面呈冰糖塊和雞爪紋。靠近外表面區(qū)斷口呈韌窩狀，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。對殘留在斷口上的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)O、S 元素含量偏高，具體如圖8 及表3 所示。

表3 斷口夾雜物EDS能譜元素質(zhì)量分數(shù) %

圖7 試樣內(nèi)壁腐蝕及機械劃痕

圖8 斷口腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析

2.2 綜合分析

硫化氫應力腐蝕開裂與材料的強度、硬度及化學成分等有密切關(guān)系，抗硫化氫腐蝕硫材料的硬度應低于27 HRC。40CrNiMo 為高強度合金鋼，硬度高達38 HRC，遠高于標準規(guī)定的27 HRC，其抗H2S 腐蝕能力差。

有關(guān)資料顯示，當硫化氫體積分數(shù)小于50×10-6時，即使在溶液中硫化氫含量很低的情況下，仍會對高強度鋼造成破壞[8-9]。在該服役井地面取氣樣并化驗后可知，H2S 體積分數(shù)高達2 200×10-6，且試樣斷口上殘留的腐蝕產(chǎn)物中O、S 元素含量偏高，說明該試件產(chǎn)生了硫化氫腐蝕。

該液壓丟手起裂區(qū)位于內(nèi)表面，可以推斷工件內(nèi)表面存在機械加工或現(xiàn)場操作引起的劃痕等缺陷。零件長時間在硫化氫環(huán)境中作業(yè)，環(huán)境中的H2S 以H+和S2-的形式存在，游離的H+在晶界富集，當濃度達到某一臨界值時零件產(chǎn)生裂紋。裂紋萌生后，裂紋內(nèi)H+濃度升高，使尖端電位變負，腐蝕程度加劇。在材料、應力、腐蝕三種因素的作用下，裂紋快速擴展至零件斷裂。