油田管道应力腐蚀断裂成因分析

2022-03-02樊海燕姜志强安雪微韩松平

油气田地面工程 2022年1期

关键词：硫化物油管断口

樊海燕姜志强安雪微韩松平

1大庆油田设计院有限公司

2山东海普安全环保技术股份有限公司

3山东海纳环境工程有限公司

油管在油田服役过程中，运行条件比较恶劣[1]，不仅要承受各种应力集中和外力载荷，还受到复杂介质的腐蚀，管道失效事件频繁发生[2-3]，严重影响了油田的正常安全生产，产生重大经济损失。

某油田井下油管作业过程中，在起管时发现套管53 m左右处存在变形，通过铅印推断井下50 m处套管错断裂，共起出套管5根，发现第5根套管公扣断裂。套管材质为P110，管道规格Φ140 mm×7.7 mm，此次断裂失效严重影响了油田井下安全生产。

1 失效分析及结果

1.1 断裂宏观观察

套管断裂裂纹沿管道环向存在（图1），并且断裂位置位于螺纹根部，在拉伸断裂过程中，未发生颈缩。说明管道轴向受力大于环向受力，裂纹扩展断裂方向与最大拉应力方向垂直。

图1 断口宏观照片Fig.1 Macro photograph of fracture

整体上看，断口表面平整，为脆性断裂；在断口特征方面，存在裂纹扩展区、瞬断区和剪切唇，这是典型的疲劳断裂的端口形貌特征。从裂纹扩展区、瞬断区和剪切唇的位置分布看，可以判断裂纹源位于与剪切唇相对的部位。从管道内外表面观察，管道断裂部位未发生明显的腐蚀减薄，测量管道断裂附近剩余壁厚为7.68mm，与设计壁厚（7.72mm）基本一致，说明此断裂非常规氧腐蚀造成的。

在断口特征方面，断口表面平整，为脆性断裂；在断裂面上，存在小面积的塑性变形，形成了细小的断裂棱，说明在断裂过程中有外力的施加影响。

1.2 金相显微分析

该套管材质为P110，依据GB 13298《金属显微组织检验方法》标准，经切割、镶嵌、预磨、抛光后用4%的硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下观察组织结构。

本文运用电子显微镜观察管道材质金相组织，对管材的组织结构进行了分析与验证，结果证实，该套管材质金相组织为板条马氏体（图2），金相组织正常。

图2 P110套管钢金相组织照片Fig.3 Metallographic structure photograph of P110 casing steel

1.3 裂纹分析

在垂直于裂纹断裂扩展方向上，截取小块管段，并磨制抛光成金相试样，观察裂纹扩展走向情况（图3），在厚度方向上，裂纹未裂透，裂纹是由套管内表面向外部发展的，并且裂纹扩展呈树枝状（图3和图4），其裂纹特征符合硫化物应力腐蚀断裂特征[4-5]。从图4看出，随着裂纹的扩展及腐蚀介质的进入，致使裂纹沿轴向不断扩大，从裂纹走势上看，属于穿晶脆性断裂。

图3 断裂套管裂纹扩展图Fig.4 Fracture casing crack propagation

1.4 断口形貌分析

对套管断口进行形貌观察（图4），套管断口包括前期裂纹扩展区和后期瞬断区。在裂纹扩展区，裂纹起源于套管内表面，在腐蚀环境的作用下裂纹不断扩展长大，在外力的作用下，会加速裂纹的扩展；当达到临界裂纹尺寸时，在外力作用下，套管瞬间发生断裂，产生瞬断区。

图4 断裂管道裂纹走向形状图（树枝状）Fig.4 Crack strike shape diagram of fractured pipeline(dendritic)

放大裂纹扩展区和瞬断区，观察表面形貌（图5），前期裂纹扩展区断口相对平整，具有典型的河流花样微观特征，属于脆性断口；而后期瞬断区有少许塑性变形，其表面可见黑色夹杂物。

图5 瞬断区（左图）和裂纹扩展区（右图）放大照片Fig.5 Enlarged photos of the transient fault zone(left)and crack growth zone(right)

进一步放大分析裂纹扩展区，从图6可以清楚看到河流花样微观特征，长度短而曲折，多处形成撕裂岭。微观显示的河流花样特征，其断裂起源于夹杂物缺陷处，多数情况下会伴有二次裂纹的产生。

图6 二次裂纹照片Fig.6 Secondary crack photograph

1.5 微区成分分析

由图7 可知，断面上有硫化物的存在。同时，其他成分还有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca 和Fe，形成有夹杂物或腐蚀产物外，还有砂土的存在。

图7 断面成分分析Fig.7 Section component analysis

对管道断面二次裂纹夹杂物聚集处进行成分扫描（图8），发现有S 元素，推断可能H2S 分离成S2-，并形成了硫化物，致使管道力学性能下降。随着裂纹进一步扩展，在拉应力作用下最终发生断裂。

图8 断面裂纹夹杂物成分分析Fig.8 Component analysis of the crack inclusion in cross section

从远离裂纹源扩展区成分可知，元素成分主要为C、O 和Fe，此处远离裂纹源，靠近最终断裂区，断口杂质元素相对较少。佐证了裂纹源分析的正确性，裂纹源由腐蚀引起蚀坑，形成微裂纹，在外部载荷作用下，逐渐向厚度方向和轴向扩展，最终断裂。

1.6 X射线衍射分析

从断口表面截取腐蚀产物，进行物相构成分析，X 射线衍射分析谱线图如图9 所示。图9 表明，端面上腐蚀产物主要是铁的氧化物Fe3O4、Fe2O3和硫化物FeS，而CaCO3是结垢产物。

图9 X射线衍射分析谱线图Fig.9 Spectrum of X-ray diffraction analysis

1.7 力学性能试验

对断裂油管管体取样进行拉伸试验，结果见表1。结果表明，该油管拉伸性能满足P110钢级油管的技术要求。

表1 断裂油管拉伸试验结果Tab.1 Tensile test results of the fractured oil tubing

2 分析与讨论

对管道断裂宏观观察发现，断裂裂纹沿环向，说明管道轴向受力大于环向受力；同时，套管未发生颈缩和腐蚀减薄，而且断口表面平整，断裂属于脆性断裂。通过断口形貌分析，断裂扩展区具有典型的河流花样微观特征，且分布有二次裂纹，断面存在大量腐蚀产物，符合硫化物应力腐蚀开裂（SCC）的断口形貌特征[6-8]；能谱分析表明，该油管断口裂纹源区及扩展区均存在少量硫元素，也佐证了硫化物应力腐蚀开裂结果。

从断裂油管的宏、微观形貌特征及其服役环境，可初步推断该油管断裂由硫化物应力腐蚀开裂导致，裂纹起始于管体外表面缺陷处，该油管断裂原因分析如下：

（1）腐蚀开裂敏感性。硫化氢是碳钢管道发生应力腐蚀开裂敏感性输送介质[9]。然而，该断裂管道磷元素含量偏高，仅满足普通碳钢材料基本性能要求，不能满足抗硫化物应力腐蚀的要求。

（2）特定的输送介质。由现场运行工况环境可知，该断裂管道伴生气中硫化氢含量高达3 500 mg/m3，同时该井封隔器与油管连通，油管外表面存在接触输送介质的可能性。能谱分析结果表明，该油管断口及裂纹内均存在硫元素，说明已受到介质侵蚀，达到了发生硫化物应力腐蚀开裂的环境条件。

（3）拉应力条件。该断裂管道靠近井口，其下部连接多根同规格油管，需承受相当大的轴向拉伸载荷，同时该油管外表面缺陷处产生严重应力集中，达到了发生硫化物应力腐蚀开裂的拉应力条件。

综上所述，该油管断裂由硫化物应力腐蚀开裂导致，裂纹起裂于油管上的缺陷处，该处在应力集中和含硫介质条件下，首先萌生腐蚀开裂裂纹。