图 1断裂钢管试样的宏观形貌
油井管是石油、天然气开采过程中的重要部件,其中J55钢级油井管占国内油井管总需求量的50％以上[1-2],J55钢级油井管是石油管材产品中的普通钢级产品,用于地质条件相对较好、井深较浅的环境。国内厂家生产的J55钢级油井管材料一般为37Mn5钢。
由于套管钻井技术的应用以及采油工艺的特殊性,油井管长期在交变载荷下工作,并在多处与抽油杆接箍及杆体发生接触摩擦,加上井内液体腐蚀等因素的影响,油井管连接螺纹处经常发生疲劳断裂、破损、偏磨、腐蚀等现象,严重影响了油田的正常生产,并造成巨大经济损失[3-6]。一般来说,水井的地质条件、深度及作业环境等比油气井好,因此在水井的开采中常常使用J55油井管产品。
某水井开采时,设计使用规格为177.8 mm×8.05 mm（外径×壁厚,下同）的J55套管,工程实际采用规格为177.8 mm×6.91 mm 的J55套管,钢管在下井过程中发生断裂现象。共计下井80多支钢管,断裂发生在从井口向下的第10支钢管上,断裂位置为非接箍处。笔者采用一系列理化检验方法对钢管断裂原因进行分析,以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
截取断裂钢管的上半部分作为试样,断裂钢管试样的宏观形貌如图1所示。钢管表面及断口被氧化锈蚀,从钢管整体形貌判断,钢管在竖直井中受到拉力作用并发生塑性变形,导致钢管断裂,且钢管塑性变形量较大。
钢管断口4号试样外表面有明显的纵向裂纹缺陷（见图2）,纵向裂纹与断裂横截面垂直相交,呈丁字形,判断裂纹源在4号位置附近。从截面看,该处裂纹已贯穿钢管的内、外表面。
1.2 化学成分分析
从断裂钢管上取样,利用ICP-AES电感耦合等离子发射光谱仪测试其化学成分,结果如表1所示。由表1可知：试样的化学成分满足API 5CT 《套管和油管规范》要求,且P、S元素含量控制得较好。
Table 1.断裂钢管试样的化学成分分析结果
1.3 力学性能测试
在远离断口位置取样,并按API 5CT要求进行室温拉伸试验和冲击试验,试验结果如表2所示。由表2可知：所取试样的力学性能均符合材料的使用要求。
Table 2.断裂钢管试样的力学性能测试结果
1.4 金相检验
用光学显微镜对试样的组织进行观察,结果如图3所示。由图3可知：试样组织为珠光体+网状铁素体,内表面存在混晶组织,中部和外表面的组织比较均匀,晶粒度为5.5级。
对钢管断面的5个部位进行分析,分别编号为1~5号,其中1号和4号试样的裂纹比较典型,分别对这两个试样的情况进行分析。
将4号试样切掉上半部分后观察,发现裂纹从外表面起裂,深入基体约4 mm。
对断口面进行磨制、抛光,再置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知,裂纹周围无明显非金属夹杂物。用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样,再将试样置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。由图5可知,该部位组织存在明显的混晶现象。裂纹从钢管外表面由细到粗再到细扩展,钢管外表面起始裂纹处一侧有脱碳现象,在内表面裂纹变粗处,晶粒有变形特征；从裂纹的尖端看,裂纹呈沿晶开裂特征,并逐渐变细。
进一步观察断口附近的显微组织,发现该断口附近的组织为珠光体+网状铁素体（见图6）。由图6可知：裂纹附近和基体均存在明显的混晶现象,小晶粒的晶粒度级别为8~9级,大晶粒的晶粒度级别为2~3级,且大晶粒的比例占到40%以上,裂纹处存在粗大晶粒,且裂纹旁的晶粒有明显变形。
1号试样的位置为钢管断面的瞬断区附近,裂口由外表面向内表面延伸,但没有贯穿。
对1号试样缺陷处外表面进行磨制、抛光和观察,结果如图7所示。由图7可知：裂纹处未观察到非金属夹杂物,从断口的底部可以明显看到钢管外表面存在纵向裂纹缺陷。
用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样,再将试样置于光学显微镜下观察,结果如图8所示。由图8可知：断口周围组织为珠光体+网状铁素体,混晶现象不明显,断口一侧有脱碳现象。说明钢管外表面存在原始的细小纵向裂纹。
1.5 扫描电镜（SEM）分析
将断口试样进行超声清洗后,置于扫描电镜下观察,结果如图9所示。由图9可知：断口锈蚀严重,微观形貌以韧窝为主,呈韧性断裂特征。
2. 综合分析
该断裂钢管的化学成分、力学性能均符合标准要求,但钢管的冲击性能一般。裂纹周边未见异常。钢管基体组织存在混晶现象。
从钢管断口处典型的金相检验结果可以看到,裂纹由外表面起始向内扩展,并呈现由细到粗再到细的特点。钢管外表面起始裂纹处的脱碳现象说明钢管外表面存在原始细小裂纹。另外,裂纹附近组织混晶现象严重,晶粒存在明显变形。通过以上分析可以推断：该J55套管断裂的原因是钢管在超设计使用过程中,钢管所承受的拉力和扭转力达到了钢管截面实际所能承受的极限值,这时钢管外表面局部存在的细小裂纹成为了断裂起裂源,再加上裂纹处粗大的晶粒使晶界的曲折减少,导致裂纹沿粗大晶粒的晶界传播,并在外力的作用下向内表面扩展,最终导致钢管发生断裂现象。
采用37Mn5钢生产的J55套管在热轧状态下的组织一般为珠光体+网状铁素体,网状铁素体的存在破坏了组织的连续性,在一定程度上降低了材料的塑性、冲击韧性和疲劳韧性[7-8],这就使得J55油井管的使用条件受到一定限制。对于水井开采来说,采用J55钢级的钢管是可行的,但一定要根据下井深度等条件设计好所使用钢管的外径和壁厚。钻井工程设计要求使用规格为177.8 mm×8.05 mm的J55套管,而实际使用了177.8 mm×6.91 mm套管,钢管处于超负荷服役状态,钢管承受了过大的力,这也是钢管断裂的原因之一。
3. 结语及建议
（1）J55钢管断裂模式为塑性断裂,且断裂原因不是化学成分、力学性能和非金属夹杂物不合格。
（2）由钢管断口的初步分析可知,钢管表面存在的细小裂纹缺陷和不良的混晶组织,再加上钢管的超设计使用是钢管断裂掉井的主要原因。
（3）建议控制好管坯的加热温度,避免终轧温度偏高,尤其对于终轧道次变形量较小规格的管坯尤其重要,以避免混晶组织的产生。可以通过正火热处理方式消除产生的混晶组织。
（4）37Mn5钢在热轧状态下的组织一般为珠光体+网状铁素体,在热轧时要避免管坯加热温度过高而造成材料的晶粒度粗大以及产生混晶。建议采取正火并控制冷却速率的热处理方式消除网状铁素体,以提高钢管的塑性和韧性。
文章来源——材料与测试网