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        油氣開采套管法蘭盤斷裂分析

        2019-11-15 09:46:50吳軻源吳高路徐良清徐良樂吳高明
        失效分析與預防 2019年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋分析

        吳軻源 , 吳高路 , 徐良清 , 徐良樂 , 吳高明

        (馬鞍山旭陽機械有限公司,安徽 馬鞍山 243121)

        0 引言

        42CrMo 鋼具有良好的淬透性,調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合力學性能,是一種應用十分廣泛的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼[1-3]。石油、天然氣開采井下套管不僅是油氣的儲運通道,而且在工作時承受較大的壓力[4-6]。法蘭盤主要用于井下套管的轉(zhuǎn)接,具有便于拆裝的優(yōu)點[7]。為保障套管接頭的密封和承壓能力,套管接頭的法蘭盤一般采用42CrMo 調(diào)質(zhì)鋼制造。

        在油田開采過程中發(fā)現(xiàn)1 例套管接頭法蘭盤的整體崩裂事故。該法蘭盤材質(zhì)為42CrMo,最終熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)。在油氣開采現(xiàn)場,很少發(fā)生此類開裂事故。此事故導致開采工作被迫停止,檢修和更換工作十分繁瑣,開采效率大大降低。本研究采用宏觀檢查、斷口分析、成分和夾雜物檢測、組織與晶粒度分析、齒面加工三維形貌成像等手段,對失效法蘭盤的斷裂原因進行分析,找出導致法蘭盤發(fā)生開裂的主要原因,提出預防事故再次發(fā)生的措施。

        1 試驗過程與結(jié)果

        1.1 宏觀觀察

        圖1 為42CrMo 法蘭盤整體崩裂樣件的一部分。肉眼觀察崩裂樣件可以發(fā)現(xiàn),法蘭盤在工作時發(fā)生快速的整體脆性斷裂,斷裂起始部位分別在圖1a 中箭頭所指位置。裂紋源在工作應力的作用下先快速向下擴展,受到阻力后向法蘭盤周向快速脆斷,最后在斷裂的結(jié)束部位產(chǎn)生一定的撕裂。觀察法蘭盤齒根發(fā)現(xiàn),齒根部位有較清晰的加工刀痕(圖1b)。在法蘭盤上截取3 塊試樣,取樣位置見圖1a。1#試樣用于掃描電子顯微鏡(SEM)斷口分析,2#試樣用于夾雜物、組織以及晶粒度檢測,采用MFT-3000 三維光學形貌儀對3#試樣進行加工齒面的形貌分析。

        圖 1 法蘭盤外觀形貌Fig.1 Appearance of failed flange

        1.2 斷口分析

        圖2 為斷口SEM 照片,斷口宏觀形貌可分為A、B、C 不同的區(qū)域(圖2)。由圖可見:A 區(qū)基本被較致密的氧化物覆蓋,表明該區(qū)斷裂最早發(fā)生且表面被氧化,原始的斷口形貌不易觀察,但整體上還是表現(xiàn)出脆性斷裂的特征;B 區(qū)表面平整,為裂紋快速擴展區(qū);C 區(qū)顯示裂紋擴展發(fā)生了轉(zhuǎn)向,圖2d 顯示C 區(qū)裂紋沿晶擴展,仍然為典型脆性斷口特征。據(jù)此可以推斷,斷裂源應該在法蘭盤的表面或近表面,在受力時,首先在A 區(qū)產(chǎn)生向下的快速脆性擴展,并通過B 區(qū),在受到周向應力時,擴展發(fā)生轉(zhuǎn)向,并發(fā)生沿周向的整體斷裂。

        1.3 成分與夾雜物分析

        法蘭盤的化學成分檢測結(jié)果顯示雜質(zhì)元素S、P 含量分別為0.009%和0.012%(質(zhì)量分數(shù)),符合油氣開采法蘭盤的化學成分要求[8]。根據(jù)國標GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對鋼中夾雜物進行評級,其結(jié)果見表1。試樣中A、B、C 類夾雜較少,非齒根部位的D 類夾雜級別為0.5,符合產(chǎn)品對夾雜物含量的要求。然而,在接近法蘭的齒根部位發(fā)現(xiàn)D 類夾雜達到2.0 級(圖3)。

        圖 2 斷口試樣SEM 形貌Fig.2 Micro morphology of the fracture surface

        表 1 夾雜物級別Table 1 Inclusion level of the sample

        圖 3 接近齒根部位夾雜金相顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Metallographic image of inclusions at the tooth root

        通過SEM/EDS 對夾雜物進行進一步的分析。圖4a 顯示了接近齒根部位的條狀夾雜,EDS 分析(圖4c)表明條狀夾雜為S、O 的復合型夾雜物。由圖4b 可以發(fā)現(xiàn),接近齒根處有一定數(shù)量的不規(guī)則形狀的夾雜物。對圖4b 中多邊形和近似三角形的夾雜進行能譜分析,結(jié)果表明:多邊形的夾雜為Fe、Si 的C、O 化物,而近似三角形的夾雜為Si、Fe 的C 化物,這些類型的夾雜受力時易在尖角處產(chǎn)生應力集中,從而有產(chǎn)生裂紋并進一步擴展的風險[9-11](圖4d、圖4e)。

        1.4 組織與晶粒度分析

        對法蘭盤的組織進行觀察,其組織為回火索氏體(圖5a),組織均勻性好,未發(fā)現(xiàn)異常組織。圖5b 顯示了法蘭盤的奧氏體晶粒度大小,觀察面晶粒度比較均勻,根據(jù)GB/T 6394—2017 評定晶粒度級別為8.5 級,滿足產(chǎn)品技術(shù)指標晶粒度大于5.0 級的要求。良好的組織均勻性和較細小的晶粒有利于材料力學性能的改善。

        圖 4 接近齒根部位夾雜物SEM 形貌及EDS 譜圖Fig.4 SEM images and EDS analysis of inclusions at the tooth root

        圖 5 金相組織及晶粒度照片F(xiàn)ig.5 Microstructure and grain images

        1.5 齒面加工三維形貌分析

        使用在線三維光學形貌儀對圖6a 中所示的4 個區(qū)域進行齒面三維形貌分析。由圖6 可以發(fā)現(xiàn):4 個區(qū)域的表面起伏大,最大起伏分別為200、59、97、114 μm;接近齒根部位有明顯的凸起,齒面上有一定的加工缺陷,如凹陷和加工淺溝槽等。集成在線三維光學形貌儀分析結(jié)果表明,法蘭加工存在一定的加工缺陷,特別是齒根處的加工缺陷易引起應力集中,可能對工件的工作造成不利影響[12]。

        圖 6 三維光學形貌儀采集區(qū)域及其三維形貌圖Fig.6 Sampling location and their three-dimensional topography

        2 分析與討論

        斷口宏觀觀察和微觀分析表明:法蘭盤在工作時,在齒面應有多個裂紋起始部位。在工作初期裂紋沿垂直齒面方向向下擴展。隨后由于受到較大的周向應力而發(fā)生快速整體崩裂。大面積的崩裂卸載了工作應力,因此,在斷裂的結(jié)束階段產(chǎn)生了撕裂現(xiàn)象。斷口上未觀察到疲勞斷裂的痕跡,排除疲勞斷裂的可能。斷口整體表現(xiàn)為脆性斷裂的特征,斷裂過程相對較快,這些表明法蘭盤在使用之前可能在冶金、材料或加工等方面存在質(zhì)量缺陷。

        法蘭盤最終熱處理為調(diào)質(zhì)處理,組織為回火索氏體,回火充分,組織均勻,晶粒度為8.5 級。因此,法蘭盤的熱加工工藝得當,斷裂與顯微組織無關(guān)。法蘭盤的化學成分滿足技術(shù)要求,調(diào)取此批工件的質(zhì)量檢測報告,發(fā)現(xiàn)夾雜物和力學性能也滿足要求。然而,在失效法蘭盤的齒根部位發(fā)現(xiàn)D 類夾雜級別為2.0 級,超過了≤1.0 級的要求。SEM/EDS 分析進一步表明,該類夾雜為帶有尖角硬質(zhì)的Fe、Si 的碳化物或碳氧化物。法蘭盤加工的表面粗糙度要求Ra為6.3,即表面加工粗糙度應控制在8 μm 以內(nèi)[13];三維光學形貌分析顯示法蘭盤的齒面加工質(zhì)量差,特別是接近齒根部位出現(xiàn)較多尖銳的凸起。歸因于3 個方面的疊加:齒根自身拐角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應力集中、夾雜物尖角處產(chǎn)生的應力集中、加工尖狀凸起引起的應力集中。此法蘭盤齒根部位形成比正常法蘭盤齒根部位大得多的應力集中,裂紋源首先在夾雜和加工凸起處多點產(chǎn)生,并迅速擴展失穩(wěn)產(chǎn)生崩裂。此批法蘭盤的原材料經(jīng)過了嚴格的冶金控制,在該批中只有這只發(fā)生了失效,查找原始生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn),此只法蘭盤可能取自鋼錠的頭部,夾雜異??赡芘c鋼錠頭部去除較少有關(guān)。

        3 結(jié)論及改進措施

        1)法蘭盤的斷裂性質(zhì)為在工作應力作用下局部缺陷引起的脆性快速斷裂,該斷裂與材料成分、顯微組織無關(guān)。

        2)法蘭盤斷裂的主要原因為材料的D 類夾雜超標、齒面加工質(zhì)量差。

        3)進一步加強冶金過程的控制,增加鋼錠頭部的切除率,加大同批次產(chǎn)品的夾雜物檢測力度;引進了法蘭盤齒面的精加工設備,并改進精加工工藝。通過上述措施的實施,類似的失效再未發(fā)生,產(chǎn)品的質(zhì)量得到了顯著的提升。

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