分享：某井油管断裂原因

油管在石油工业中占有重要的位置，油管服役条件恶劣，其质量、性能与石油工业发展的关系重大。某井油管随气井投产，运行9.5 a后将其取出，发现油管断裂，断裂位置如图1所示。油管材料为P110钢，外径为89 mm，内径为76 mm，壁厚为6.45 mm。井口温度约为30 ℃，气井的地层水中Cl−质量浓度在运行8 a后明显增加，由约为150 mg/L增加到5 800 mg/L。井口压力为44~59 MPa，计算井底分压长期大于0.6 MPa。笔者采用一系列理化检验方法对油管断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

图  1  油管断裂位置宏观形貌

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对该断裂油管进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：油管断口不平整，可见穿孔特征，断口内壁可见严重腐蚀，油管内壁远离断口的一端也有腐蚀产物堆积；油管外圆无明显变形特征，断口位置油管外表面的磨损程度不一致，穿孔一侧表面磨损更严重；断口位置厚度已发生明显减薄，壁厚由6.45 mm减至4.40~4.90 mm；穿孔位置附近存在一个较深的腐蚀坑，该处壁厚仅为2.18 mm。 

图  2  断裂油管宏观形貌

1.2   化学成分分析

在油管管体取样，采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：油管管体的化学成分符合GB/T 19830—2023 《石油天然气工业 油气井套管或油管用钢管》的要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

在油管断口位置取样，对试样进行乙醇+超声波清洗，用扫描电镜对油管断口内壁腐蚀区域进行观察，结果如图3所示。由图3可知：内壁腐蚀区域可见网格状分布的腐蚀沟槽，沟槽沿周向分布，其表面覆盖有一层腐蚀产物，沟槽底部有沿晶特征。对该腐蚀产物进行能谱分析，结果显示其主要元素为O、Al、Si、S、Ca、Fe、Sr、Ba等（见表2）。 

图  3  油管内壁腐蚀区域SEM形貌

穿孔位置的SEM形貌如图4所示。由图4可知：穿孔边缘可见网格状分布的腐蚀沟槽，其表面覆盖有一层腐蚀产物。对该腐蚀产物进行能谱分析，结果显示其主要元素为O、S、Ca、Sr、Ba等（见表3）。 

图  4  穿孔位置SEM形貌

断口表面SEM形貌如图5所示。由图5可知：断口表面覆盖有一层腐蚀产物。对该腐蚀产物进行能谱分析，结果显示其主要元素为C、O、Si、S、Ca、Fe、Sr、Ba（见表4）。 

图  5  断口表面SEM形貌

1.4   力学性能测试

在油管管体取样，按照ASTM A370-23 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products，用电子万能试验机和金属摆锤冲击试验机对试样进行拉伸、冲击试验。按照ASTM E10-18 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials，用布氏硬度计对试样进行硬度测试，结果如表5所示。由表5可知：油管管体的拉伸性能符合标准GB/T 19830—2023的要求；硬度测试结果为297 HBW，按GB/T 1172—1999 《黑色金属硬度及强度换算值》可换算为32.0 HRC。 

1.5   金相检验

分别在油管管体的横向和纵向截取试样，对试样进行金相检验，结果如图6所示。由图6可知：试样组织正常，未见明显裂纹、偏析、夹杂等缺陷，试样组织为回火索氏体，奥氏体晶粒度为9.5级，符合技术要求（≥6.0级）。按照GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物检验，结果为D细系0.5级，非金属夹杂物含量未见异常。 

图  6  油管管体的微观形貌

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂油管的化学成分、力学性能均符合标准要求，显微组织及晶粒度级别均符合技术要求，非金属夹杂物含量未见异常,说明断裂与材料无关。油管断口不平整，可见穿孔特征，外圆无明显变形特征，内壁存在严重腐蚀，腐蚀区域可见网格状分布的腐蚀沟槽，沟槽底部有沿晶特征。油管内壁、穿孔位置、断口表面处的腐蚀产物中均含有较高含量的O、S和Ba等元素，同时还有Sr、Ca、Si、Al、Fe等元素。结合该油管的使用情况，其腐蚀环境为弱酸性CO2气体，推测油管内壁的腐蚀产物主要为结垢，主要物质为BaSO4，由远离断口位置到断口附近，腐蚀产物越来越致密、坚固，进一步促进了油管的腐蚀断裂[1-4]。在服役过程中，油管介质中氧元素含量过高，因此先发生溶解氧腐蚀，腐蚀产物的堆积又形成了垢下腐蚀，造成开裂部位的管壁减薄，最终形成了腐蚀穿孔。局部腐蚀穿孔的形成改变了介质的流动方向及流动速率，导致内壁产生周向冲刷，使其壁厚逐步减薄至管壁变形，产生了应力集中，最终导致油管发生低应力腐蚀脆性断裂[5-7]。 

综上所述，该油管由于穿孔的形成，改变了介质的流向及流速，造成其附近内壁产生周向冲刷。随着运行时间的延长，腐蚀造成壁厚逐步减薄，在应力的作用下油管最终发生低应力腐蚀的脆性断裂。 

3.   结论及建议

该油管断裂原因为：油管介质中氧元素含量较高，溶解氧腐蚀造成材料穿孔，穿孔附近内壁产生周向冲刷，随着运行时间的延长，冲刷使管壁减薄，减薄和穿孔部位产生了应力集中，最终导致油管发生应力腐蚀断裂。 

建议采用抗CO2、H2S腐蚀材料的油管，并定期对结垢进行清除，避免油管发生腐蚀开裂。

文章来源——材料与测试网