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(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司, 攀枝花 617000)

27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋成因分析

鄧通武,陳亮,李紅光,柯曉濤

(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司, 攀枝花 617000)

某廠生產(chǎn)的27CrMoTi鋼套管經(jīng)車削加工后，在螺紋表面發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷。采用化學(xué)成分分析、宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法，分析了裂紋的產(chǎn)生原因。結(jié)果表明：27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋內(nèi)部存在大量夾雜物，為連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣造成的；在熱軋穿管時(shí)，應(yīng)力集中致使套管萌生裂紋，且擴(kuò)展成為表面裂紋。

27CrMoTi鋼；套管；裂紋；夾雜物；卷渣

套管是石油工業(yè)中大量使用的管具，在井筒中起到支撐井壁、封固地層和防坍塌的作用[1]，通常要承受幾百甚至上千個(gè)大氣壓的內(nèi)壓或外壓、幾百噸的拉伸載荷，還有高溫及嚴(yán)酷的腐蝕介質(zhì)作用。套管的安全穩(wěn)定要求很高，一次下井要長(zhǎng)期使用，這是油田長(zhǎng)期穩(wěn)定高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[2]。我國(guó)油田每年因套管損壞造成油井破壞或報(bào)廢的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)數(shù)十億元，套管的損壞嚴(yán)重阻礙了油田的正常生產(chǎn)，已成為目前國(guó)內(nèi)外石油開采亟需解決的重要問(wèn)題[3]。

27CrMoTi鋼具有良好的抗硫化氫腐蝕能力，可以滿足含硫化氫腐蝕條件下的完井應(yīng)用[4]，因此27CrMoTi鋼成為石油套管中常用的材料。某廠生產(chǎn)的27CrMoTi鋼套管尺寸為φ193.68 mm×15.88 mm，生產(chǎn)工藝為：120 t轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t電加熱爐精煉→120 t真空循環(huán)脫氣精煉處理→360 mm×450 mm方坯連鑄→緩冷→加熱→管坯軋制→緩冷→加熱→穿孔→軋管→精整→調(diào)質(zhì)處理→螺紋加工。經(jīng)車削加工后，在套管螺紋表面發(fā)現(xiàn)有條狀的白亮裂紋存在。在套管的服役過(guò)程中，套管外部的流體或氣體會(huì)滲入井內(nèi)或進(jìn)入套管與巖壁的孔隙位置，隨著流體與氣體的分離，氣體在環(huán)空上方匯集，形成硫化氫氣塞，具有很強(qiáng)的腐蝕性，并最終導(dǎo)致套管腐蝕[5]。筆者針對(duì)27CrMoTi鋼套管表面存在的裂紋，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等儀器設(shè)備，系統(tǒng)分析了裂紋的形成原因，以避免類似缺陷的再次出現(xiàn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

采用光譜法對(duì)27CrMoTi鋼套管材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)各元素含量均滿足API 5CT-2012的技術(shù)要求。

表1 27CrMoTi鋼套管材料的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the material of 27CrMoTi steel casing pipes (mass fraction) %

1.2 宏觀觀察

經(jīng)螺紋車削加工后，發(fā)現(xiàn)27CrMoTi鋼套管螺紋表面存在肉眼可見(jiàn)的條狀白亮色缺陷。在體視顯微鏡下觀察，缺陷呈鋸齒微裂紋狀，長(zhǎng)度約為10 mm，其宏觀形貌見(jiàn)圖1。

圖1 27CrMoTi鋼套管表面裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracks on the surface of 27CrMoTi steel casing pipes

1.3 掃描電鏡及能譜分析

在27CrMoTi鋼套管表面裂紋處切取尺寸為20 mm×20 mm×7.5 mm的金相試樣，經(jīng)丙酮清洗后，采用JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

圖2為掃描電鏡下觀察到的27CrMoTi鋼套管表面裂紋形貌，可見(jiàn)在裂紋一側(cè)呈現(xiàn)出明顯的物理剝落現(xiàn)象，且順著加工方向，有較多細(xì)小劃痕。在裂紋內(nèi)部和附近區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的大顆粒夾雜物，但有較多細(xì)顆粒物和圓形小坑，初步推測(cè)圓形小坑是在機(jī)加工過(guò)程中夾雜物脫落所致。

圖2 27CrMoTi鋼套管表面裂紋的掃描電鏡形貌Fig.2 SEM morphology of cracks on the surface of 27CrMoTi steel casing pipes

對(duì)27CrMoTi鋼套管表面裂紋區(qū)域進(jìn)行能譜分析，分析位置見(jiàn)圖3，分析結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)裂紋內(nèi)部和周邊的細(xì)顆粒物成分主要以鈣、鋁元素為主，還有少量的鎂、鉀、磷等元素。對(duì)裂紋部位進(jìn)行面掃描，發(fā)現(xiàn)有較多鈣、鋁、鎂、氧等元素存在，并有少量的鉀、磷元素。

圖3 裂紋區(qū)域能譜分析位置Fig.3 Analysis positions of energy spectrum for crack area

表2 裂紋區(qū)域能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Analysis results of energy spectrum for crack area (mass fraction) %

由于27CrMoTi鋼套管螺紋表面經(jīng)車削加工后，大量的夾雜物已經(jīng)脫落呈現(xiàn)出許多小坑，因此沿垂直于裂紋方向截取試樣，磨制、拋光后，在拋光態(tài)下采用掃描電鏡對(duì)裂紋內(nèi)部進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

裂紋內(nèi)部形貌及能譜分析位置如圖4所示，能譜分析結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可見(jiàn)，從裂紋根部到端部存在大量夾雜物，夾雜物仍然以鋁、鈣元素為主，還有少量的鎂、鈉、鉀等元素。

圖4 裂紋內(nèi)部形貌及能譜分析位置Fig.4 Inside morphology of cracks and analysis positions of energy spectrum

表3 裂紋內(nèi)部能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Analysis results of energy spectrum for area inside cracks (mass fraction) %

1.4 金相檢驗(yàn)

將掃描電鏡試樣在4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液中進(jìn)行侵蝕，然后采用AXIOVERT-200MAT型金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

圖5為27CrMoTi鋼套管螺紋表面裂紋的拋光態(tài)和侵蝕態(tài)形貌，可見(jiàn)表面有兩條微裂紋，沿鋼管的徑向分布，在裂紋內(nèi)部也有大量的細(xì)顆粒夾雜物，沒(méi)有氧化、脫碳現(xiàn)象，裂紋附近組織與基體組織相同，未見(jiàn)異常。

圖5 27CrMoTi鋼套管螺紋裂紋區(qū)域的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of crack area of 27CrMoTi steel casing pipes: a) polished state; b) erosive state

2 分析與討論

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，從套管表面裂紋的根部到端部發(fā)現(xiàn)有大量夾雜物存在，且裂紋附近組織無(wú)異常，因此套管表面裂紋是由夾雜物引起的。在熱軋鋼管時(shí)，由于在高溫下鋼基體的塑性增加，而夾雜物本身變化不大，夾雜物與鋼基體之間的變形能力差別增大，導(dǎo)致夾雜物從鋼基體的界面很快脫落。在夾雜物尖角處，由于應(yīng)力集中而萌生裂紋，隨著軋制的進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展，形成裂紋通道。同時(shí)，由于夾雜物存在于基體內(nèi)部，軋制變形時(shí)受到四周金屬的限制，裂紋不易擴(kuò)展形成較大裂紋，由此便形成了所觀察到的微裂紋形貌。

在螺紋加工過(guò)程中，在車削刀具的機(jī)加工應(yīng)力作用下，較高硬度的夾雜物極易脫落，因此在車削表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量的夾雜物存在，僅有少量夾雜物殘留，而從橫向面上的裂紋內(nèi)卻能觀察到大量夾雜物存在。夾雜物剝落后，部分附著在刀具或管體表面，順著刀具的加工方向?qū)⒒w劃傷，產(chǎn)生了圖2所觀察到的在裂紋一側(cè)、順著刀具的加工方向有明顯的劃傷痕跡。

從裂紋內(nèi)夾雜物的能譜分析結(jié)果來(lái)看，夾雜物以鈣、鋁元素為主，并含有少量的鎂、鈉、鉀等元素，與該廠連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的成分近似。因此，初步推斷該裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)榻Y(jié)晶器卷渣[6]。

根據(jù)裂紋產(chǎn)生原因的初步推斷，對(duì)該批次套管的生產(chǎn)工藝及鑄坯、圓管坯質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①該批次生產(chǎn)的27CrMoTi鋼鑄坯一般疏松等級(jí)和中心疏松等級(jí)均為1.0級(jí)，無(wú)其他缺陷；②圓管坯上隨機(jī)取樣的夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果為A0.5，B0.5，C0.5，D0.5，表明該批次圓管坯的脫氧及精煉控制良好；③拉速穩(wěn)定控制在0.55 m·min-1左右，無(wú)明顯波動(dòng)；④在澆鑄最后兩爐鋼時(shí)，其中一流的液位控制裝置出現(xiàn)異常，導(dǎo)致顯示數(shù)值與實(shí)際液位波動(dòng)不一致，產(chǎn)生裂紋缺陷的爐次也正好與該兩爐鋼的爐號(hào)相吻合。

結(jié)合理化檢驗(yàn)結(jié)果和工藝、質(zhì)量調(diào)查結(jié)果可以判定，27CrMoTi鋼套管表面裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)?，液位異常波?dòng)造成卷渣，在熱軋穿管時(shí)，鋼材在應(yīng)力的作用下萌生裂紋。

3 改進(jìn)措施

(1) 針對(duì)液位控制裝置異常的情況，制定了結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)電壓檢測(cè)措施。通過(guò)二次儀表監(jiān)測(cè)電壓情況，超出設(shè)定值后及時(shí)進(jìn)行維修，保證液位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2) 加強(qiáng)生產(chǎn)管理及過(guò)程控制，嚴(yán)格連鑄工藝的操作，控制澆鑄鋼液過(guò)熱度在20～40 ℃，以(0.50±0.05) m·min-1的鑄坯拉速進(jìn)行恒速澆鑄，確保結(jié)晶器液面穩(wěn)定，防止卷渣。

(3) 采取以上措施后，結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定，液位波動(dòng)值控制在±5 mm以內(nèi)，生產(chǎn)的27CrMoTi鋼套管沒(méi)有再出現(xiàn)類似裂紋缺陷。

4 結(jié)論

(1) 27CrMoTi鋼套管螺紋裂紋內(nèi)部存在大量夾雜物，其化學(xué)成分與連鑄保護(hù)渣的近似，工藝調(diào)查也發(fā)現(xiàn)其中一流出現(xiàn)液位異常波動(dòng)情況，由此判斷夾雜物的來(lái)源為連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣。在熱軋穿管時(shí)，由于應(yīng)力集中在夾雜物區(qū)域萌生裂紋，并擴(kuò)展成為表面裂紋。

(2) 通過(guò)采取強(qiáng)化設(shè)備檢查、規(guī)范操作、穩(wěn)定結(jié)晶器液位等措施，27CrMoTi鋼套管有效避免了類似裂紋缺陷的再次出現(xiàn)。

[1] 曾鐘,王飛宇,侯鐸,等.P110套管螺紋斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2017,53(5):357-360.

[2] 尹寶俊,趙文軫,張延玲,等.長(zhǎng)慶H油井套管的腐蝕與開裂機(jī)理研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(5):28-33.

[3] 李平全.力學(xué)和環(huán)境服役條件及其對(duì)油套管的要求——《油套管標(biāo)準(zhǔn)研究、油套管失效分析及典型案例》(1)[J].鋼管,2006,35(4):57-60.

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[6] 紀(jì)緋緋.鋼中皮下夾雜產(chǎn)生原因分析[J].山東冶金,2002,24(5):43-46.

CauseAnalysisonSurfaceCracksofThreadof27CrMoTiSteelCasingPipes

DENGTongwu,CHENLiang,LIHongguang,KEXiaotao

(Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, China)

Crack defects were found on surface of thread of 27CrMoTi steel casing pipes produced by one plant after turning process. Causes for cracks were analyzed by methods of chemical composition analysis, macroscopic observation, analysis of scanning electron microscope and energy spectrum, metallographic inspection and so on. The results show that: there were a great amount of inclusions in the interior of surface cracks of thread of 27CrMoTi steel casing pipes, and the inclusions were caused by slag entrapment of mould powder for continuous casting crystallizer; the cracks initiated and propagated to be surface cracks as a result of stress concentration during hot-rolling.

27CrMoTi steel; casing pipe; crack; inclusion; slag entrainment

10.11973/lhjy-wl201711015

TG335.71; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0829-04

2015-00-00

鄧通武(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事優(yōu)特鋼新產(chǎn)品的開發(fā)工作，dengtw@sina.com