馮 杰，謝建雷，馬春莉

（渤海石油裝備新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

1 事故情況

某油井在修井作業(yè)過程中發(fā)現1支Φ73.02 mm×5.51 mm N80鋼級平式油管工廠端螺紋根部斷裂。斷裂油管位于井下1 178.74 m處，即井口至下方第124支。據悉該原井管柱共經歷了洗井、沖砂、下泵投產、撈砂下管、下泵投產等5次以上下井作業(yè)，上扣過程無扭矩控制。

該油井設計井深1 215.53 m，其中最大井斜角18.44°，位于井深1 174.54 m處，該油井分段加裝有不同個數的扶正器。該油井的開采作業(yè)采用螺桿泵，底部油管有錨定器，其中油管錨定器位置1 196 m，上面連接螺桿泵，螺桿泵連接的為第125支油管，油管裝有扶正器，第124支油管無油管扶正器，且位于該井井斜最大處。

2 宏觀分析

2.1 斷口形貌分析

油管斷裂位置發(fā)生在工廠端螺紋根部，距螺紋消失點5 mm左右，從斷口形貌看，斷口表面較為平滑，在螺紋齒根沿螺紋旋向發(fā)生斷裂，沒有發(fā)現塑性變形的明顯跡象，內孔也沒有明顯的縮頸，但有明顯的撕裂痕跡，事故油管接箍及原井其余油管的接箍表面都存在嚴重的磨損，且事故油管管體存在螺旋磨損痕跡［1-13］。失效油管如圖1所示，油管斷口如圖2所示。

2.2 掃描電鏡分析

對失效試樣的斷口進行掃描電鏡分析，斷口起裂源處的掃描圖片和斷口起裂源處的裂紋擴展如圖3～4所示。

圖1 失效油管

圖2 油管斷口

圖3 斷口起裂源處的掃描圖片

圖4 斷口起裂源處的裂紋擴展

由圖3可知，斷口存在明顯的人字形放射條紋，放射源處即為斷口起裂點，在裂紋源處未發(fā)現夾雜物和夾雜物脫落的痕跡，更高倍數的掃描圖像能看到冰糖狀的解離斷口（圖4），斷裂類型為解離斷裂，即脆性斷裂，說明非金屬夾雜物不是造成試樣不合格的原因。

2.3 斷口的宏觀及顯微組織分析

利用掃描電鏡對斷口進行金相分析，并對斷口起裂位置選區(qū)進行半定量能譜分析，斷口的疲勞缺陷金相組織如圖5所示，起裂點能譜分析位置1和起裂點能譜分析位置1能譜如圖6～7所示，位置1的化學成分結果見表1。

圖6 起裂點能譜分析位置1

表1 位置1的化學成分 %

通過對油管斷口的母材顯微組織，斷口處的金相及掃描電鏡初步分析結果可知：

（1）斷口試樣母材的晶粒較正常試樣基本一致，組織均為珠光體+鐵素體組織，未發(fā)現其他不正常的組織，金相組織與油管斷裂之間的關系很??；

（2）從掃描電鏡分析可知，已找出油管斷口的起裂源，起裂源處無夾雜物；斷口存在明顯的人字形放射條紋，放射源處即為斷口起裂點，在裂紋源處未發(fā)現夾雜物和夾雜物脫落的痕跡；

（3）起裂緣處從斷口的起裂位置進行選區(qū)化學成分分析，未發(fā)現異常金屬元素，且出現了Na、K兩種非金屬元素，但是含量都極低，所發(fā)現的Na、K元素不能排除斷口在油管服役過程中被污染的影響。因此，不能說明Na、K元素是造成斷裂的原因。

3 材質試驗分析

在斷裂油管管體上取樣進行縱向拉伸性能和布氏硬度測試。試驗分別依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準進行，19 mm×50.8 mm規(guī)格樣件機械性能見表2。力學性能試驗結果表明：失效油管管體的力學性能符合API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》要求。

表2 19 mm×50.8 mm規(guī)格樣件機械性能

4 油管失效機理及原因分析

4.1 失效機理

從失效油管宏觀斷口形貌分析，斷裂瞬間沒有承受過大的載荷，斷口存在明顯的人字形放射條紋，放射源處即為斷口起裂點，在裂紋源處未發(fā)現夾雜物和夾雜物脫落的痕跡。

油管與接箍連接后接近于一種懸臂狀態(tài)，使得靠近油管螺紋尾部與接箍螺紋嚙合的第一、二個螺紋應力值最高，通過測量實物和計算，以及分析油管受力情況得知，這兩個螺紋不但承受壓裂液體產生的軸向拉力、管柱懸重，還要承受油管與接箍連接時產生的預緊力，在內、外部條件適宜的情況下，就會在該處產生裂紋源，并不斷擴展，由于裂紋是在很高應力水平作用下形成，并在持續(xù)的高應力狀態(tài)下工作，裂紋擴展速度很快，且油管的螺紋處壁厚較?。ɡ碚摵穸?.7～4.1 mm。一般熱軋管壁厚均勻度較差，壁厚會存在一定的偏差），導致其裂紋擴展階段很短；所以，一旦形成裂紋源，將很快發(fā)生斷裂。

4.2 油管接頭失效原因分析

導致此次失效的原因可能會有以下幾個方面：油管和接箍擰接作業(yè)時，扭矩控制不當，出現過扭矩上扣；油管柱傾斜造成油管在工作中承受偏置應力；低振幅、高頻率、超高壓作業(yè)產生的振動；管體原材料有缺陷［13-14］。

上緊扭矩過大會造成嚙合螺紋之間的復合應力和齒面接觸應力增大，隨著嚙合螺紋的增加，螺紋金屬表面產生了彈性變形、塑性變形至撕裂的過程，很容易造成油管從螺紋處斷裂，而此次斷裂位置處于工廠端，有嚴格的扭矩控制，不會出現過扭矩上扣。

通過對事故油管取樣試驗，可以看出管體原材料符合標準要求，并不存在缺陷。

油管柱傾斜受到偏置應力在斜井中很容易出現，特別是位于大井斜角的地方，油管除了受到正常的拉伸載荷外，還有彎曲載荷，如果復合載荷出現在油管與接箍的連接位置，更容易造成懸臂連接的油管螺紋失效。仔細查閱該油井的井況，可以看出斷裂油管處于1 178.74 m處（即井口至下方第124支），該處井斜角為整口井最大18.44°，且處于無扶正器扶正狀態(tài)（記錄為壓力計及電纜隨管一起下入，n個油管扶正器分布：從井口到下方數第1～9根油管每2支油管下1個，第12～99支油管每3支油管下1個，第103～123支油管每4支油管下1個），在整個油管柱井口和井底都有固定的情況下，造成管柱最大偏置應力會出現在失效油管的位置，而無扶正器扶正的油管受到的復合載荷振動及由此產生的偏置應力則更為明顯，進而造成油管螺紋失效。

5 結 語

（1）該失效油管材料的理化性能滿足API Spec 5CT—2011標準對N80鋼的要求。

（2）分析電鏡掃描形貌，已找出油管斷口的起裂源，起裂源處無夾雜物；從斷口的金相組織分析可知，未發(fā)現其他不正常的組織，說明金相組織與油管斷裂之間的關系很??；而化學分析所發(fā)現的Na、K元素不能排除斷口在油管服役過程中被污染的影響，所以不能說明Na、K元素是造成斷裂的原因。

（3）過扭矩上扣、油管柱傾斜以及無扶正器扶正的油管受到的復合載荷振動和偏置應力，對油管螺紋斷裂有一定的影響。