Φ88.9 mm×6.45 mm P110S 油管接头脱扣失效原因分析

2020-10-27杨莎莎吕庆钢姬丙寅史交齐

焊管 2020年9期

张永，杨莎莎，吕庆钢，姬丙寅，史交齐

（1. 中国石化西北油田分公司，新疆轮台841600；2. 西安三维应力工程技术有限公司，西安710075）

1 概述

某油井在起油管施工过程中，指重表吨位由128 t 突然降至60 t，后证实在2 745 m 位置Φ88.9 mm×6.45 mm P110S 油管接头现场端发生脱扣事故，底部落鱼共计长度4 073 m，成功打捞出所有落鱼管柱（包括对应接箍油管）。失效油管接头螺纹形貌如图1 所示。

图1 脱扣油管接头内、外螺纹形貌

为了找出油管接头脱扣失效的原因，对失效样品进行了宏观形貌分析、几何尺寸测量、理化性能检测、微观形貌分析等检测及试验，并对油管接头的产品质量和现场操作两方面进行了分析，以期为类似油管接头脱扣失效事故提供分析思路。

2 检测和试验分析结果

2.1 失效接头宏观形貌及分析

观察失效接头管体现场端外螺纹（编号1YA）损伤形貌发现，外形未发生明显径缩、伸长等变形，未见严重粘扣、错扣等损伤形貌。螺纹锥度也未发生明显改变，部分螺纹有明显擦伤、变形等损伤形貌。从损伤分布来看，在距离台肩端面长约58 mm 螺纹范围内可观察到损伤形貌，其他位置（包括密封面和台肩面）未见明显损伤痕迹；从损伤程度来看，在8～12 扣范围内齿形变形明显，其承载面和齿顶面被挤压呈圆弧面，外螺纹损伤形貌如图2 所示。考虑到螺旋升角的影响，实际螺纹损伤位置在对应起始扣起至11扣或12 扣的范围内。

图2 1Y-A 外螺纹损伤形貌

观察失效接头接箍现场端内螺纹（编号1YB）损伤形貌发现，同外螺纹损伤形貌相似，外形尺寸、螺纹锥度未见明显变形，磷化膜大多保持完好，部分螺纹有擦伤、变形等损伤形貌。从损伤分布来看，在距离接箍端面最长52 mm 的长度范围内均可观察到螺纹有擦伤、变形等损伤形貌，其他位置未见明显损伤；从损伤程度来看，在5～11 扣范围内齿形受损严重，齿顶有明显挤压变形及擦伤痕迹，部分齿顶截面呈伞形状。另外发现磷化层有破损，表面金属呈锈红色光泽，内螺纹损伤形貌如图3 所示。由图2 和图3可知，内螺纹与外螺纹损伤的扣数相吻合。

图3 1Y-B 内螺纹损伤形貌

另外发现，内螺纹表面残存有大量褐色附着物，呈膜状和颗粒状分布，应该是入井流体（如泥浆）干涸后形成的垢膜，这些垢膜较难清洗，经浸泡清洗后仍有部分残留物无法清除，这与其他较容易清洗部位明显不同，说明该部位与入井流体接触时间较其他部位长，即沉积时间较长。

接箍外壁可见打捞工具留下的压痕及两种钳牙的痕迹，如图4 所示。从图4 可以看出，一种钳牙印呈点状分布，长度约82.58 mm，距离接箍现场端端面最短26.00 mm，为工厂上扣的大钳牙痕；另一种钳牙印呈线状分布，长度约96.24 mm，距离接箍现场端端面最短28.00 mm，与现场钳牙牙痕近似，应该为现场上扣时大钳牙痕，可以证实上扣时大钳夹持在接箍外壁偏现场端螺纹对应的位置。

图4 失效接头接箍的外观形貌

失效接头现场端内、外螺纹表面二次损伤形貌如图5 所示。在失效接头外螺纹（图5（a））、内螺纹（图5 （b））表面还观察到许多部位明显的二次损伤形貌特征，外螺纹表面除沿轴向（滑脱方向）有一个损伤面外，沿环向（周长方向）存在一个连续的沟槽状损伤形貌，沟槽上边缘有折叠卷曲，且与脱扣造成损伤形貌的方向相反，依据单纯的脱扣是不会一次性造成这种形貌，因此判断出环向损伤在滑脱损伤之前；齿顶在擦伤面上存在一个折叠挤压的金属毛刺，其折叠方向与脱扣方向完全相反，单纯依靠脱扣一次作用力不可能形成这种损伤形貌。内螺纹表面除沿轴向（滑脱方向）有一个损伤面外，沿环向（周长方向）还存在一个连续的沟槽状损伤形貌，其位置在现场上扣的最后一扣处。内螺纹损伤与外螺纹损伤形貌有对应关系，损伤界面的形貌，其损伤界面与脱扣受力方向不一致，所以仅靠脱扣一次作用力不可能形成这种损伤形貌，再次证明螺纹在脱扣前已经存在一定的损伤。

图5 失效接头现场端内、外螺纹表面二次损伤形貌

2.2 性能检验及分析

对失效接头的接箍和管体分别进行几何尺寸测量，结果分别见表1 和表2。从表1、表2 可以看出，失效接头管体的外径、壁厚和接箍外径满足供货技术条件要求。

表1 接箍截面外径测量结果 mm

表2 管体几何尺寸测量结果

为了检验管体和接箍的化学成分，分别在管体和接箍上切取30 mm×30 mm 的试验样品，采用ARL 3460 直读光谱仪进行化学成分分析，分析结果见表3。分析结果表明，管体和接箍失效样品的化学成分均符合供货技术条件要求。

表3 管体和接箍化学成分分析结果

在管体上切取宽度为19 mm 的板状拉伸试样，采用SHT4106 电液伺服万能试验机进行拉伸试验；在接箍上切取Φ6.5 mm 棒状拉伸试样，采用CMT5205 电子万能试验机进行拉伸试验。拉伸试验结果见表4，由表4 可以看出，管体和接箍失效试样的拉伸试验结果符合供货技术协议要求。

表4 管体和接箍拉伸试验结果

为了检验管体和接箍的冲击性能，分别在管体和接箍上切取冲击试样，采用ZBC2302 摆锤式冲击试验机进行冲击试验，结果见表5。由表5 可以看出，管体和接箍失效样品的冲击性能满足供货技术协议要求。

分别在管体上切取硬度环状试样，接箍上切取硬度块状试样，采用200HRS-150 洛氏硬度计进行硬度检测，硬度环等分为4 个象限，管体硬度试验结果见表6，接箍硬度试验结果见表7。由表6 和表7 可以看出，管体和接箍失效试样的硬度试验结果均满足供货技术协议要求。

表5 管体和接箍0 ℃V 形缺口夏比冲击试验结果

分别在管体和接箍上切取金相显微试样，采用Axio Vert.A1 金相显微镜进行金相组织、晶粒度和非金属夹杂物分析，其组织形貌如图6 所示，非金属夹杂物检测结果见表8。由图6 （a）可以看出，管体的金相组织为回火索氏体+少量铁素体，晶粒度级别为9.4 级；接箍的金相组织为回火索氏体+少量铁素体，晶粒度级别为9.0 级。分析结果表明，管体和接箍的材料性能符合供货技术协议要求。

表6 管体洛氏硬度检测结果 HRC

表7 接箍洛氏硬度检测结果

图6 失效接头金相显微组织形貌

表8 管体和接箍的非金属夹杂物检测结果

2.3 失效接头密封面和台肩面接触形貌分析

为了观察密封面和台肩面接触情况，在失效接头现场端、工厂端内外螺纹部分截取试样，观察失效接头密封面和台肩面的接触形貌。失效接头内、外螺纹的的具体取样情况见表9。

表9 失效接头内、外螺纹取样情况

2.3.1 现场端密封面和台肩面接触形貌分析

失效接头现场端密封面和台肩面的宏观形貌如图7 所示。对1YA-1 （图7 （a）、图7 （b））和1YB-1 （图7 （c）、图7 （d））密封面和台肩面试样的宏观形貌进行观察，结果显示，主密封和台肩面较为完好，加工刀痕也较为完整，磷化层也较为完整。

失效接头现场端密封面和台肩面的微观形貌如图8 所示。由1YA-1 的微观形貌（图8 （a）、图8 （b））可清晰的看到，失效接头的密封面和台肩表面的加工刀痕较为完整，未看到环形连续的挤压变形痕迹（正常上扣到位的情况下，上扣后密封和台肩面过盈接触后表面存在明显的挤压变形痕迹），说明接头密封面和台肩面现场上扣时未发生过盈接触。由1YB-1 的微观形貌（图8 （c）、图8 （d））可清晰地看到，失效接头的密封面和台肩表面的磷化膜较为完整，也未观察到环形连续的挤压或刮擦变形痕迹。

2.3.2 工厂端密封面和台肩面接触形貌分析

失效接头工厂端密封面和台肩面的宏观形貌如图9 所示。对1YA-2 （图9 （a）、图9 （b）)和1YB-2 （图9 （c）、图9 （d））的密封面和台肩面试样的宏观形貌进行观察， 1YA-2 主密封和台肩面具有明显擦伤痕迹； 1YB-2 主密封磷化层可观察到一道明显的挤压痕迹，台肩面可观察到有刮擦痕迹，这与现场端微观形貌有较明显的差异。

失效接头工厂端密封面和台肩面的微观形貌如图10 所示。从1Y-A-2 （图10 （a）、图10 （b））和1Y-B-2 （图10 （c）、图10 （d））的密封面和台肩表面试样的微观形貌均可观察到，主密封和台肩表面圆弧附近存在较连续的挤压变形痕迹，显示该接头密封面和台肩面现场上扣时曾发生过盈接触。

图7 失效接头现场端密封面和台肩面宏观形貌

图8 失效接头现场端密封面和台肩面微观形貌

图9 失效接头工厂端密封面和台肩面宏观形貌

图10 失效接头工厂端密封面和台肩面微观形貌

2.4 失效接头现场端螺纹损伤对应位置分析

失效接头现场端内、外螺纹损伤位置对应关系如图11 所示。观察1YA-1、 1YB-1 试样形貌，可见外螺纹实际损伤长度约为50～52 mm（对应起始扣起第11 扣的范围内），内螺纹实际损伤长度最长52 mm （起始扣起约11 扣），二者较为吻合。说明螺纹滑脱前内、外螺纹啮合长度约为50～52 mm，大约11～12 扣左右。图12 所示为内、外螺纹损伤位置、啮合长度、损伤形貌模拟配对，进一步证实该失效接头现场端上扣未到位。

图11 失效接头现场端内、外螺纹损伤位置对应关系

图12 失效接头现场端内、外螺纹模拟配对对应关系

3 分析与讨论

3.1 接头现场端螺纹滑脱失效的主要原因

3.1.1 产品质量

由于本次失效接头是脱扣失效，加之打捞过程对接头损伤较小，所以除内、外螺纹受损严重无法检测外，失效接头的管体、接箍的几何尺寸及材料性能均未受到影响，可以进行常规性能检测。对失效接头管体和接箍的几何尺寸、化学成分、拉伸性能、硬度、冲击韧性、金相组织等的检测结果均未发现异常，所检项目均符合订货标准要求。

至于与滑脱有关的螺纹参数，本次检测虽然无法进行，但从失效接头螺纹宏观和微观形貌观察可知，外螺纹（包括尾扣）及接箍螺纹加工结构完整，内螺纹磷化膜质量也较好，未发现严重粘扣、错扣等异常情况；而且从该批油管到货商检结果来看，合格率为100%，也未发现明显的质量问题。该规格油管同批累计到货3 082 根，截止目前分别在8 口井使用，其他井也未发现问题，均使用正常。因此，几何尺寸和材料性能等产品质量不是造成事故的主要原因。

3.1.2 现场操作

从现场提供的扭矩曲线（如图13 所示）来看，所有入井接头的实际上扣扭矩均达到目标控制扭矩，所以失效接头不存在扭矩不足或过扭矩等不合格的情况；从作业过程来看，也未发现可能产生倒扣的操作；从失效接头内、外螺纹损伤宏观和微观形貌分析，也未发现严重粘扣或错扣的情况，所以造成事故的主要原因不可能是上述因素引起，只可能是现场上扣不到位造成的。事实上，有充足的证据显示本次事故接头在现场上扣时，虽然扭矩已经达到了目标控制扭矩，但上扣存在严重未到位的情况。具体原因分析如下：

图13 失效接头部分上扣扭矩曲线

（1）螺纹宏观和微观损伤形貌

分析螺纹宏观、微观形貌发现，内、外螺纹存在损伤痕迹的螺纹长度为50～52 mm，对应螺纹牙数最多为12 扣，这与该规格正常的啮合螺纹长度65 mm （对应15～16 扣）相差约3～4 扣，所以可以推断，现场上扣并未到位（密封和台肩也未有效接触），这是造成失效接头发生脱扣及连接强度严重降低的主要原因[1-10]。

（2）密封和台肩面微观形貌

对失效接头的现场及工厂上扣端的密封面、台肩表面分别进行扫描电镜分析发现，工厂上扣端内、外螺纹的密封面和台肩面可清楚地观察到连续接触造成的挤压痕迹，而现场端均未观察到这种形貌，这说明现场端上扣时密封面和台肩面未发生有效过盈接触，证实现场端螺纹上扣未到位。

3.2 油管螺纹接头现场端上扣不到位的原因

3.2.1 泥浆污染接箍内螺纹

从现场报告了解到，在下失效接头油管的时间段内存在水眼冒浆，当这些泥浆与螺纹脂相混时，泥浆中含有的固体颗粒杂质夹在内、外螺纹之间，不但影响螺纹脂本身的润滑性能，而且很可能导致螺纹上扣扭矩发生较大的改变，出现扭矩异常增大的可能。在极端情况下会干扰扭矩短时间达到上扣控制扭矩，造成扭矩达到上扣控制扭矩而实际上扣不到位。

3.2.2 脱扣前螺纹有轻微损伤

从失效接头宏观、微观损伤形貌可观察到螺纹具有二次损伤形貌，证明螺纹在滑脱前已经存在轻微的损伤，若损伤导致螺纹牙形的改变，这将导致内、外螺纹啮合过程中产生较大的阻力和摩擦力，加上其他不利条件（夹持力较大、上扣速度快等）则完全有可能导致上扣扭矩异常升高。

3.2.3 大钳钳牙夹持位置

从失效接箍外表面钳牙夹持痕迹来看，上扣时钳牙已经夹持在接箍现场上扣端偏上的位置，随着上扣扭矩的增大，这种大钳的夹持力会逐渐增高，不但有可能导致接箍变形，也使得内、外螺纹的过盈量会额外增大，造成扭矩值异常增大。通常钳牙应该夹持在接箍中部偏下，尽量不要夹持到现场端螺纹的上部，这样才能防止因夹持不当对螺纹上扣扭矩产生不良影响。从失效接箍内螺纹损伤形貌也可以观察到，钳牙夹持部位对应的螺纹损伤明显较重。