分享：某油管断裂原因

摘 要:某油管自墩粗端,距管端头螺纹约211 mm 处发生断裂。通过宏观观察、化学成分分 析、断口分析、金相检验等方法对油管断裂原因进行了分析。结果表明:操作环境中存在 H2S和 CO2,油管显微组织中存在非金属夹杂物,油管上由工具和卡具造成的机械损伤产生局部硬化和应 力集中,使油管在湿 H2S环境下产生了应力腐蚀开裂。 

关键词:油管;断裂;硫化氢;应力腐蚀开裂;夹杂物 

中图分类号:TE931                                     文献标志码:B                                  文章编号:1001-4012(2022)05-0040-04

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 700d后发生断裂,其载荷为20~21t。

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211mm,断裂部位的管外径为74.9mm,壁 厚为5.7mm,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10000mg/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74.9mm。 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)。

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。 

在SY/T6194—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)。 

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)]。

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)]。 

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。

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。

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/T6194—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 22HRC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。

3 结论 

油管断裂是湿 H2S环境下产生的SSCC。操作介质中存在 H2S和 CO2 是油管产生 SSCC 的主要 原因,油管表面工具和卡具引起的机械损伤造成材 料局部硬化和应力集中以及显微组织中存在非金属 夹杂物,这些都对裂纹的形成起到促进作用,同时加 速了油管应力腐蚀裂纹的产生。

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<文章来源>   材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 5期 (pp:40-43)>