某油管断裂原因

2022-07-05张金伟王克栋黄清生

理化检验(物理分册) 2022年5期

张金伟, 王克栋, 黄清生, 杨栋

(机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司, 上海 201518)

油气田使用的油管服役条件十分恶劣，除了要承受液注力、摩擦力等复杂交变载荷的作用，还要承受内外部油、水、CO2、H2S、溶解氧和细菌等多种腐蚀介质的破坏，油管失效事故频发，给油气田的安全生产带来很大困扰。

某油田S-142井自井口第73根油管在使用约700 d后发生断裂，其载荷为20～21 t。该断裂油管结构形式为管端加厚型，断裂位于墩粗端，距管端头螺纹约211 mm，断裂部位的管外径为74.9 mm，壁厚为5.7 mm，材料为N80Q钢，油管内介质为油、气和水，介质中含有CaCl2，CO2，H2S，矿化度(单位体积液体介质中所含的各种离子、分子和化合物的总量)为10 000 mg/L。为查明油管断裂原因，笔者在该断裂油管上取样并进行一系列理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

油管断裂发生在距管端头螺纹211 mm处，该段油管螺纹侧略粗，断裂部位实测外径为74.9 mm。管内、外存在油污，外壁存在机械损伤，呈有规律排列的油管钳夹持痕迹和凹坑。剖开油管后可见内壁表面存在腐蚀坑，断裂面垂直于油管纵向，较平齐。油管没有发生明显变形，在断裂面上同时可见平行断面的环向裂纹和垂直断面的二次裂纹(见图1)。

图1 断裂油管宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂油管上取样并进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 断裂油管化学成分 %

在SY/T 6194—2003 《石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》表C.5中规定，第一组中的H，J，K和N钢级所有油管中的硫、磷元素质量分数应不大于0.030%，其他化学元素含量未作规定，油管以能达到相应的力学性能为准。

1.3 断口分析

1.3.1 宏观形貌

油管主断裂面垂直于油管纵向，为横向断裂。在断裂面上同时存在着横向裂纹和纵向裂纹，主断裂面粗糙、有油污，清洗后可见人字形花样，断裂面的壁厚无明显减薄，无宏观塑性变形，无剪切唇。断裂源呈多源特征，外壁裂纹源于机械损伤，内壁裂纹源于腐蚀坑(见图2)。

图2 断面宏观形貌

1.3.2 微观形貌

根据油管断裂的特点，取主断裂面和纵向裂纹断面进行微观形貌分析。主断裂面和纵向裂纹断面微观形貌基本相同，主要为氢脆准解理+韧窝+空洞+二次裂纹。主断裂面较粗糙，其裂纹扩展区的微观形貌在低倍下呈人字形花样[1]，在高倍下为氢脆准解理+韧窝+二次裂纹；内壁表面可见腐蚀坑和坑底裂纹，裂纹尖端有剪切韧窝[2][见图3a)，3b)]。纵向裂纹断面的微观形貌在低倍下呈放射状，在高倍下为氢脆准解理+空洞+沿晶二次裂纹+少量韧窝；其裂纹扩展区的微观形貌为韧窝+氢脆准解理+二次裂纹[见图3c)，3d)]。

图3 断面微观形貌

1.4 金相检验

对断裂油管进行金相检验。断口剖面处显微组织为回火索氏体+铁素体+贝氏体，呈沿轴向分布的带状组织特征，非金属夹杂物等级为A1.5，B0.5[见图4a),4c)]。在外壁表面存在氢鼓泡，同时观察氢鼓泡处产生的裂纹，裂纹扩展尖端呈台阶串接的特点[见图4b)]。由断口剖面微观形貌可知，裂纹扩展区呈穿晶和沿晶的混合特征，内、外壁的腐蚀坑和机械损伤是裂纹源区，在裂纹中和裂纹周围存在较多的非金属夹杂物。在主断面上可以观察到已扩展较深的二次裂纹，二次裂纹和内、外壁裂纹的扩展形态相同[见图4d)]。

图4 断裂油管微观形貌

1.5 能谱分析

取油管内垢物和断口表面附着物进行腐蚀产物的X射线能谱(EDS)分析。表2为EDS分析结果，结果表明腐蚀产物主要含有氧、镁、铝、硅、硫、氯、钾、钙、铁等元素，其中硫元素含量较高。

表2 腐蚀产物化学元素EDS分析结果 %

1.6 硬度测试

在油管横截面上划分的4个象限区域内的外部、中部和内部分别进行硬度测试，同时还在油管外壁表面以及表面机械损伤部位进行硬度测试，结果如表3所示。

表3 油管硬度测试结果 HRC

硬度测试结果表明，油管沿厚度方向中心部位的硬度明显高于内、外壁的；油管表面机械损伤部位的硬度明显高于表面正常部位的。

2 综合分析

断裂油管的显微组织为回火索氏体+铁素体+贝氏体，存在带状组织[3]和非金属夹杂物，反映了该油管经过了淬火+回火，符合SY/T 6194—2003中对N80Q级油管热处理的要求。显微组织中观察到氢鼓泡和二次裂纹[4-5],裂纹尖端呈氢致开裂特征。油管断裂宏观上呈脆性断裂特征[6-7]，微观上呈典型的氢致开裂特征。油管断裂是湿H2S+CO2引起的硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)[8-9]。

SSCC在工程上是一种常见的破坏现象，其开裂的特点是阴极充氢导致氢脆裂纹。可发生SSCC的材料包括低碳钢、低合金钢、高强钢、不锈钢等，开裂倾向随材料的强度升高而增加。在湿H2S介质中，材料抗SSCC能力受温度、H2S浓度、介质pH值、应力大小[10-11]及分布状态、材料化学成分和组织形态、金属焊接质量和表面质量、热处理状态等多种因素的影响。

从介质因素方面来说，湿H2S是低合金钢发生SSCC的敏感介质。该断裂油管工作介质为油、气和水，介质中含有CaCl2，CO2，H2S；EDS分析结果显示，腐蚀产物中硫元素含量较高。由于水和CO2的存在，介质呈酸性，产生H+去极化腐蚀，而介质中H2S的存在阻止了腐蚀反应生成的H原子向H2转变，使H原子向材料内部扩散，造成材料产生阴极充氢，形成氢鼓泡和氢致开裂。湿H2S引起的开裂包括SSCC、氢致开裂(HIC)、应力导向氢致开裂(SOHIC)及氢鼓泡(HB)，其破坏敏感度随H2S浓度的增加而增加，在饱和湿H2S中达最大值。

从材料化学成分和显微组织形态方面来说，钢中影响H2S腐蚀的主要化学元素是锰和硫，锰元素易使设备在焊接过程中产生马氏体和贝氏体，这些高强度、低韧性的显微组织表现出较高硬度，这对设备抗SSCC极为不利；硫元素则在钢中形成MnS，FeS等非金属夹杂物，使局部显微组织疏松，在湿H2S环境下易诱发HIC，SOHIC和HB。观察断裂油管的显微组织发现，在裂纹中和裂纹的周围存在较多的非金属夹杂物，表明非金属夹杂物对诱发湿H2S环境下的HIC或SOHIC有促进作用。针对断裂油管中存在带状组织的问题，张旺峰等[12]的研究结果表明，材料组织中存在与施加应力方向平行的带状组织，可以起到阻碍裂纹扩展的作用，从而提高其SSCC抗力。

材料硬度对SSCC敏感性的影响很大，对于在湿H2S介质中使用的材料，其硬度应控制在22 HRC以下。断裂油管整体硬度偏高，特别是表面机械损伤部位的硬度明显高于周围正常部位。机械损伤造成材料局部硬化和应力集中[13-14]，对裂纹的形成起促进作用，使该部位对应力腐蚀开裂更加敏感，加速了油管应力腐蚀裂纹的产生。