分享：钢油管裂纹成因分析

摘 要:BZ１０２井S１３Cr１１０钢油管出现裂纹,通过磁粉探伤、金相分析、点蚀坑分析、化学成分 分析、力学性能试验等方法对裂纹产生的原因进行了分析.结果表明:油管纵向裂纹为应力腐蚀裂 纹,裂纹产生与 A 环空腐蚀环境、油管材料特性及油管受力条件有关. 

关键词:油管;裂纹;磁粉探伤;应力腐蚀 

中图分类号:TG９４６;TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６６３Ｇ０４

BZ１０２井完钻井深６９５０m,在井深６３７５．００m 位置全角变化率为０．０５°/２５m,在井深６４３０．００m 位置全角变化率为１０．６°/２５m,在井深６７７１．４２m 位置 产 层 压 力 为 １１８．２ MPa,最 高 流 动 温 度 为 １２１．８ ℃,温度梯度为２．６ ℃/１００m,关井时井口温 度为１５．８ ℃.

该井完井管柱采用S１３Cr１１０钢油管,完井液为 密度１．２５g??cm－３的 Weigh４有机盐,没有脱氧.该井 ２０１４年１１月２９日投产,油压３３．８MPa,A 环空压力 １２．２MPa,B,C和D环空不带压.产出天然气中CO２ 含量３．９％(体积分数),不含 H２S,产出油中含蜡量 ５．２％~２７．５％(质量分数),产出地层水中氯离子含量 １１００００mg??L－１.由于井筒内存在结蜡现象,生产过 程油压和产量波动,随后多次采用７０ ℃有机盐热洗 解堵.２０１５年７月２２日油套串通,关井平稳后油压 和 A环空压力均为５１．４MPa,B,C 和 D环空不带压. ２０１７ 年 １０ 月 １７ 日 修 井 起 管 柱 发 现 井 深 ６３８２．９４m位置油管工厂端脱扣.为查明完井管柱 腐蚀 及 裂 纹 情 况,笔 者 对 出 井 编 号 为 D２４２ 号 的 ?８８．９０mm×６．４５ mm S１３Cr１１０ 钢 油 管 (下 深 ６３８２．９４m)管体取样进行了理化检验与分析.

１ 理化检验

１．１ 磁粉探伤

经磁粉探伤,在 D２４２号油管管体上没有发现 裂纹. 

１．２ 金相分析 

在距 D２４２ 号 油 管 外 螺 纹 接 头 端 面 ８５~ １００mm管体位置取长度为１５mm 的圆环,将其沿周向分为１４等份试样进行金相检验.结果表明在 试样外表面及内表面并未发现有裂纹存在.

在距 D２４２ 号 油 管 外 螺 纹 接 头 端 面 ７５０~ ７６５mm管体位置取长度为１５mm 的圆环,将其沿 周向分为１６等份试样(图１)进行金相检验.结果 表明１,３,８,９,１３及１６号试样外表面存在纵向裂 纹,内表面无裂纹存在.采用 NanoMeasurer粒径 计算软件对 每 一 个 试 样 中 的 裂 纹 长 度 进 行 测 量, 并且取其最大值作为对比,测量结果如图２所示. 可见１号和 ８ 号 试 样 外 壁 裂 纹 深 度 较 深,分 别 约 为２０６．９μm 和２４０．５μm.所有裂纹均起源 于 油 管外壁局部腐蚀坑,呈树枝状,在主裂纹周围存在 大 量次生裂纹,裂纹具有典型的应力腐蚀裂纹形 貌特征.

对裂纹密集且深度较深的８号试样浸蚀之后进 行金相分析,裂纹扩展方式以穿晶扩展为主,也有沿 晶扩展,如图３所示.D２４２号油管管体非金属夹杂 物评级结果为 D１．０级,晶粒度为９．５级,显微组织 为回火索氏体. 

１．３ 点蚀坑分析 

采用 OlympusBX５１型金相显微镜对在 D２４２ 号油管距外螺纹接头端面８５~１００mm管体位置所 取的１４个试样及距外螺纹接头端面７５０~７６５mm 管体位置所取的１６个试样的外壁点蚀坑进行观察, 采用 Nano Measurer粒径计算软件对点蚀坑深度 进行测量统计,点蚀坑形貌如图４所示. 

由图４可知,在试样外壁分布有较多的点蚀坑, 且点蚀坑底部有较多晶间腐蚀区域,这些点蚀坑和晶间腐蚀易引起应力集中,导致裂纹产生.

在 D２４２ 号 油 管 距 外 螺 纹 接 头 端 面 ８５~ １００mm管 体 外 壁 的 点 蚀 坑 深 度 分 布 在 ２０~ １２０μm,其中在４０~７０μm 较集中;在 D２４２号油 管距外螺纹接头端面７５０~７６５mm 管体外壁的点 蚀坑深度分布在１０~１８０μm,其中在３０~６０μm 较集中.

１．４ 化学成分分析 

对 D２４２ 号 油 管 化 学 成 分 进 行 分 析,结 果 见 表１,可知 油 管 的 化 学 成 分 符 合 设 计 要 求 和 用 户 要求.

１．５ 力学性能试验 

对 D２４２ 号 油 管 取 样 进 行 拉 伸 试 验,结 果 见 表２,可知油管的拉伸性能符合用户要求. 

对 D２４２号油管试样横截面进行硬度测试,结果 表明油管硬度为２７．５~２７．９HRC,符合用户要求.

对 D２４２号油管取１０mm×５mm×５５mm 冲 击试样进行冲击试验,结果表明油管冲击吸收能量 为１０３J,符合用户要求.

２ 分析与讨论 

２．１ 油管磁粉探伤分析 

有表面或近表面缺陷的工件被磁化后,当缺陷 方向与磁场方向成一定角度时,由于缺陷处的磁导 率变化,磁力线溢出工件表面,产生漏磁场,吸附磁 粉形成磁痕.用磁粉探伤方法检验工件表面裂纹, 与超声探伤和射线探伤方法相比较,其灵敏度高、操 作简单、结果可靠、重复性好、缺陷容易辨认.因此, 在检查工件外壁裂纹时通常采用磁粉探伤.该井的 油管采用金相检验发现了裂纹,但采用磁粉探伤却 没有发现裂纹,其原因是该井油管裂纹细小,油管表 面附着的结垢层填充了裂纹,裂纹表面无法吸附磁 粉形成磁痕,因此磁粉探伤未发现裂纹.为解决使 用过的油管磁粉探伤精度不高的问题,在磁粉探伤 之前,应首先采用布砂轮对油管外壁结垢进行彻底 打磨,使其露出金属本色,然后再进行磁粉探伤. 

２．２ 油管裂纹成因分析 

该井?８８．９０mm×６．４５mmS１３Cr１１０钢油管 在井下使用时间还不足８个月就产生了裂纹,检验 结果表明,油管纵向裂纹具有应力腐蚀裂纹的特征. 应力腐蚀裂纹与材料应力腐蚀敏感性、腐蚀环境和 受力条件有关[１Ｇ５].

该井所用油管材料为 S１３Cr１１０ 钢,该材料对 应力腐蚀敏感,很容易产生应力腐蚀裂纹[６Ｇ１４].同 一钢级的材料,硬度越高,对应力腐蚀越敏感.该井 ?８８．９０mm×６．４５mm TN１１０Cr１３STSH５６３油管 实 测 硬 度 为 ２７．１~２８．２ HRC,平 均 硬 度 为 ２７．６HRC.在塔里木油田其他井的?８８．９０mm× ６．４５ mm S１３Cr１１０ 钢 油 管 实 测 硬 度 为 ２８．２~ ３０．９HRC,平 均 硬 度 为 ２９．６HRC,虽 然 该 井 ?８８．９０mm×６．４５mm TN１１０Cr１３STSH５６３油管 硬度比其他井?８８．９０mm×６．４５ mm S１３Cr１１０钢 油管硬度低２．０HRC,但在井下使用不到８个月之 后也产生了裂纹,这说明硬度为 ２７．１~２８．２ HRC 的油管也具有应力腐蚀敏感性. 

该井完井液为 Weigh４有机盐完井液,油管纵 向裂纹为应力腐蚀裂纹,腐蚀环境主要与 A 环空 Weigh４ 有 机 盐 完 井 液 且 没 有 脱 氧 有 关[１５]. S１３Cr１１０钢油管不适合在含有氧气的水中使用,在 这种情况下,其耐腐蚀性能比低合金钢的还要低. 

油管仅有纵向裂纹,没有横向裂纹,这主要与油 管柱承受的内压载荷有关.如果没有内压载荷,油管不会产生纵向应力腐蚀裂纹.

该井采用关井热洗方式清蜡.油管柱内壁结 蜡,油压下降,实际下部油管由于温度高并不结蜡, 上部油管结蜡相当于不完全关井.如上所述,该井 经过了多次热洗,热洗前后油压、套压和温度都会发 生变化,这必然会导致油管柱内外压差变化,使油管 柱承受交变内压载荷.

２．３ 油管开裂预防 

该井２０１４年１１月２９日投产,投产时完井液为 密度１．２５g??cm－３的 Weigh４有机盐完井液.塔里 木油田多口井油管失效分析结果均表明,裂纹是因 完井液与S１３Cr１１０钢油管材料不匹配而产生的.

为了改善 A 环空腐蚀环境,塔里木油田从２０１５ 年１月开始在２７口井采用甲酸钾作为环空保护液, 截止２０１８年７月１９日,这些井没有发生油管开裂 失效事故. 

３ 结论及建议

S１３Cr１１０钢油管的纵向裂纹为应力腐蚀裂纹, 开裂原因与 A 环空腐蚀环境、油管材料特性及油管 受力条件有关,主要由交变内压载荷作用所导致. 

建议对该井其他油管进行检测和试验分析,以 便掌握全井油管柱开裂失效情况;更换环空保护液, 以避免该类失效事故的再次发生.

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文章来源——材料与测试网