KQ65采气树四通法兰开裂分析

战　彬，王向东，王西强，王向阳，张继明（.中国石油集团海洋工程 （青岛）有限公司，山东 青岛 6650；.中石化胜利油建工程有限公司，山东 东营 5707；.中国石油长庆油田第七采油厂，西安 7008；4.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 70077）

KQ65采气树四通法兰开裂分析

战彬1，王向东2，王西强3，王向阳1，张继明4，*
（1.中国石油集团海洋工程 （青岛）有限公司，山东 青岛 266520；
2.中石化胜利油建工程有限公司，山东 东营 257073；3.中国石油长庆油田第七采油厂，西安 710018；4.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077）

通过宏观形貌观察、力学性能测试、金相显微组织和微观形貌分析，对KQ65采气树四通法兰开裂原因进行了系统分析。结果表明:KQ65采气树四通法兰开裂是由于热加工过程中，冷却速度过慢，使其显微组织中珠光体粗化，并且先共析多边形铁素体沿晶界呈网状析出，大大降低了四通法兰的低温韧性，从而导致其在低温下发生脆性断裂。另外，由于采气树四通法兰颈部结构尺寸的突然变化，在该处形成应力集中，导致裂纹在此处萌生。

采气树；四通法兰；网状铁素体；韧性；应力集中；开裂

0　引言

世界油气田中大约1/3含有H2S气体，我国许多油气田如四川、长庆、华北、新疆等油气田的油气层中也都含有H2S。含有H2S腐蚀气体的天然气在开采时会对井口装置产生H2S应力腐蚀，因此要求采气井套管及其井口装置应具有抗H2S腐蚀性能［1］。抗H2S腐蚀装备钢材属于高技术含量的产品，在世界范围内被视为顶尖技术而严格保密，一直被少数先进的日本、美国等大型钢铁企业垄断，并且国外对H2S腐蚀机理研究较为领先［2-3］。而随着国内油气消耗的增加及大庆、塔里木等大型油气田的开采，国内在抗H2S腐蚀等领域的研究也取得了较大的进展［4］。

采气树是自喷井和机采井用来开采石油和天然气的井口装置，是油气井最上部的控制和调节油气生产的主要设备。采气树主要由套管头、油管头、采气树本体3部分组成。采气树四通是悬挂井内油管、密封油和套管之间环形空间的关键装置，通过法兰盘连接上下结构件，可以控制和调节气井的生产，从而保证各项井下作业施工，便于压井作业、起下作业等措施施工和进行测压、清蜡等日常生产管理。

油气田采气井在进行采气作业时，发现采气树四通法兰开裂，该采气树材质为抗H2S腐蚀KQ65钢，采用锻造工艺生产。该采气树额定工作压力为35 MPa，而实际运行的最高压力为22 MPa，开裂时实时运行压力仅为3.39 MPa，工作环境为露天，环境最低温度-10℃，输送介质为不含S天然气。为了确保安全平稳生产，生产单位立即将采气树开裂四通法兰拆卸替换，分析采气树四通法兰开裂原因，以便改进生产工艺，提高我国在能源领域抗S腐蚀装备的制造水平。

1　宏观分析

开裂四通法兰径向长约570 mm，上下端各有1个法兰，法兰盘外径约395 mm，内径约160 mm（图1a）。在上法兰处存在一贯穿上法兰盘厚度的裂纹，该裂纹延伸到与四通颈部连接的位置产生分叉，一支裂纹沿法兰和四通链接颈部环向扩展，另一只裂纹继续沿四通颈部径向扩展，贯穿整个上法兰颈部（图1b）。为了更清楚观察四通法兰的开裂情况，在锯床上对四通法兰进行切割，切割方式为从法兰和四通链接颈部底部环向切为3部分，然后再沿整个四通法兰轴向对剖开，剖开面避开开裂位置（图2）。从图2可以看出，开裂法兰盘的内壁裂纹并没有全部贯通，而外壁裂纹不但贯通且已经张开，初步判断法兰盘的开裂是从外璧向内壁扩展的。仔细观察外壁法兰盘颈部连接处，发现此处是环向裂纹和纵向2条裂纹的交汇处，表明该交汇点可能是引起开裂的裂纹萌生位置。

图1　采气树四通法兰开裂宏观形貌Fig.1　Macro morphology of four-channel flange cracking of gas production tree

图2　四通法兰的开裂位置形貌Fig.2　Cracking morphology of four-channel flange

2　理化分析

2.1力学性能分析

从法兰开裂位置附件进行切割取样，依据SY/T5127—2002《井口装置和采油树规范》［1］进行拉伸性能和冲击韧性检验。拉伸试验采用圆棒试样，尺寸为φ8.9 mm×35 mm，依据标准ASTM A370—2014在UTM-5305型拉伸试验机进行，试验温度为室温。冲击试样尺寸为10 mm×10mm×55 mm，冲击试验依据标准ASTM A370—2014在PIT302D-型冲击试验机上进行，试验温度分别为20、0、-10、-20、-30℃。

表1为四通法兰拉伸试验结果，由表可见，采气树四通法兰的拉伸性能指标符合SY/T 5127—2002要求，其中抗拉强度高于标准要求150 MPa以上。表2为四通法兰夏比冲击性能测试结果，随着试验温度的降低，冲击值减小，当试验温度降低到-10℃时，冲击韧性仅为5 J。根据标准要求，试验温度为20℃平均冲击值也低于SY/T 5127—2002标准要求。

表1　拉伸试验结果Table 1　Tensile properties of four-channel flange

表2　四通法兰系列温度夏比冲击韧性Table 2　Charpy impact toughness of four-channel flange at different temperature

2.2化学成分分析

表3为四通法兰化学成分分析结果与标准对比。表中C、S元素用LECO CS-444型C、S分析仪单独进行测定，而其余元素用 Baird Spectrovac2000型直读光谱仪进行化学成分检测。结果表明，四通法兰化学成分符合SY/T 5127—2002要求，并且其S、P元素含量低于标准要求的最大值，钢质较为纯净。

表3　四通法兰化学成分（质量分数 /%）Table 3　Chemical composition of four-channel flange（mass fraction/%）

2.3金相组织分析

采用MeF4M金相显微镜及图像分析系统，依据标准 GB/T 13298—1991、GB/T 4335—2013、ASTM E 45—2013、ASTM E 112—2013对四通法兰进行金相组织分析。图3为四通法兰金相组织照片，四通法兰金相组织为多边形铁素体（白色组织）和珠光体（灰色）双相组织，珠光体晶粒粗大，而多边形铁素体成网状分布在珠光体晶粒周围。开裂位置的裂纹附近发现大量的二次裂纹，二次裂纹为穿晶扩展。根据晶粒度评价标准对四通法兰进行晶粒度评定，评定级别为3级，而SY/T 5127—2002标准要求晶粒度级别为大于或等于7级，晶粒度级别不满足要求。

图3　四通法兰金相组织Fig.3　Optical microstructure of four-channel flange

2.4断口形貌分析

把四通法兰开裂位置用锯床切割下来，沿裂纹扩展方向把开裂位置打开，观察裂纹起源，图4为打开后断裂表面形貌，整个断口表现为典型的脆性断裂形貌，清楚的观察到放射状河流花样，红色锈斑位置为早期开裂裂纹，而放射状河流指向位置即为起裂源区，也就是最早开裂位置，由图4可以判断起裂源位于法兰盘与四通连接的根部，这里是法兰结构和尺寸变化位置，容易引起应力集中。

图4　裂纹打开后的断口形貌。Fig.4　Fracture morphology after opening crack

为了更细致观察四通法兰断裂处断口形貌特征，在FEI扫描电子显微镜下进行断口形貌观察。图5为四通法兰断口扫描电镜形貌照片，源区和扩展区形貌均为脆性解理断裂，平滑的解理面上分布有河流花样，解理面尺寸较大，说明材料韧性较差。能谱分析表明在开裂位置没有发现夹杂物等缺陷。

3　分析与讨论

根据SY/T 5127—2002要求，采气树四通法兰材质应通过锻造成型技术制造，并经过调质热处理获得所需要的显微组织和力学性能。采气树在服役运行过程中，需要承担上部附件的压力，而且与油管悬挂器结合处还受到环向张力的作用，其力学性能应满足SY/T 5127—2002要求。此外，由于采气树为室外装置，受到季节气温变化的影响，要求具有良好的低温韧性。

图5　四通法兰断裂表面扫描电镜形貌及能谱分析Fig.5　Fracture morphology and energy spectrum analysis by SEM

根据试验分析结果，KQ65采气树四通法兰具有较低的冲击韧性，其室温冲击值亦低于-30℃标准要求，表现为低温脆性特征。而显微组织观察表明，四通法兰晶粒尺寸评级为3级，远低于7级的晶粒度要求，且脆性珠光体片层较为粗大，多边形铁素体成网状分布，这种组织为典型的脆性组织，其低温韧性极低，急剧恶化材料低温韧性［6-9］。

在奥氏体化的亚共析钢缓慢冷却的过程中形成，当温度低于Ar3时，C和合金元素的扩散导致一部分奥氏体转变为先共析铁素体，由于晶界处能量较高，C和合金元素的扩散能力较高，所以先共析铁素体易在晶界出形成。而随着温度降低，当温度低于Ar1时，剩余奥氏体中C和和合金元素达到共析点的配比，此时珠光体形成［9］。如果在两相区冷却速率过慢，先共析铁素体容易在原奥氏体晶界处析出长大，沿晶界成网状分布。先共析铁素体对材料的韧性影响较大，因铁素体相对其他相较软，因此容易导致材料内部受力不均，拉拔或材料受拉力时容易产生裂纹［10］。因此，四通法兰低温开裂是由于法兰在热处理时工艺控制不当，导致在晶界处形成网状铁素体，再加上冷却速率的缓慢，珠光体组织严重粗化，从而导致法兰低温韧性恶化，发生低温开裂。另外，四通法兰颈部结构尺寸变化，形成应力集中，裂纹容易在此处萌生［11-12］。

4　结论

1）KQ65采气树四通法兰开裂是由于在热处理过程中，高温段冷却速率过低，导致组织粗化和多边形铁素体在晶界形成网状，使材料韧性恶化。

2）四通法兰颈部尺寸结构变化，导致在该处产生应力集中，萌生裂纹。

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Fracture Analysis of Four-channel Flange for KQ65 Gas Production Tree

ZHAN Bin1，WANG Xiang-dong2，WANG Xi-qiang3，WANG Xiang-yang1，ZHANG Ji-ming4，*
（1.CNPC Offshore Engineering（Qingdao）Co.，Ltd.，Shandong Qingdao 266520，China；
2.Sinopec Petroleum Engineering&Construction Shengli Corporation，Shandong Dongying 257073，China；
3.Changqiang Oil Field Company Oil Production Plant No.7，Xi’an 710018，China；4.Tubular Goods Research Institute of CNPC，Xi’an 710065，China）

Fracture failure of four-channel flange for KQ65 gas production tree was investigated by mechanical properties testing，optical microstructure observation and fractureanalysis.Experimental results show that the cracking of the tree four-way flange is due to improper heat treatment during manufacturing process.Due to the slow cooling rate，the pearlite grains coarsened and polygonal ferrite formed network structure along the grain boundary.So the toughness of the four-channel flange decreased greatly.In addition，the structural change of the four-channel flange neck caused local stress concentration and promoted crack initiation here.

gas production tree；four-channel flange；ferrite network；toughness；stress concentration；cracking

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.006

1673-6214（2016）01-0028-05

2015年10月21日

2016年1月28日

张继明（1977年-），男，博士，高级工程师，主要从事金属材料微观机理等方面的研究。