樊海燕 姜志強 安雪微 韓松平

1大慶油田設計院有限公司

2山東海普安全環(huán)保技術股份有限公司

3山東海納環(huán)境工程有限公司

油管在油田服役過程中，運行條件比較惡劣[1]，不僅要承受各種應力集中和外力載荷，還受到復雜介質的腐蝕，管道失效事件頻繁發(fā)生[2-3]，嚴重影響了油田的正常安全生產，產生重大經濟損失。

某油田井下油管作業(yè)過程中，在起管時發(fā)現套管53 m左右處存在變形，通過鉛印推斷井下50 m處套管錯斷裂，共起出套管5根，發(fā)現第5根套管公扣斷裂。套管材質為P110，管道規(guī)格Φ140 mm×7.7 mm，此次斷裂失效嚴重影響了油田井下安全生產。

1 失效分析及結果

1.1 斷裂宏觀觀察

套管斷裂裂紋沿管道環(huán)向存在（圖1），并且斷裂位置位于螺紋根部，在拉伸斷裂過程中，未發(fā)生頸縮。說明管道軸向受力大于環(huán)向受力，裂紋擴展斷裂方向與最大拉應力方向垂直。

圖1 斷口宏觀照片Fig.1 Macro photograph of fracture

整體上看，斷口表面平整，為脆性斷裂；在斷口特征方面，存在裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)和剪切唇，這是典型的疲勞斷裂的端口形貌特征。從裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)和剪切唇的位置分布看，可以判斷裂紋源位于與剪切唇相對的部位。從管道內外表面觀察，管道斷裂部位未發(fā)生明顯的腐蝕減薄，測量管道斷裂附近剩余壁厚為7.68mm，與設計壁厚（7.72mm）基本一致，說明此斷裂非常規(guī)氧腐蝕造成的。

在斷口特征方面，斷口表面平整，為脆性斷裂；在斷裂面上，存在小面積的塑性變形，形成了細小的斷裂棱，說明在斷裂過程中有外力的施加影響。

1.2 金相顯微分析

該套管材質為P110，依據GB 13298《金屬顯微組織檢驗方法》標準，經切割、鑲嵌、預磨、拋光后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡下觀察組織結構。

本文運用電子顯微鏡觀察管道材質金相組織，對管材的組織結構進行了分析與驗證，結果證實，該套管材質金相組織為板條馬氏體（圖2），金相組織正常。

圖2 P110套管鋼金相組織照片Fig.3 Metallographic structure photograph of P110 casing steel

1.3 裂紋分析

在垂直于裂紋斷裂擴展方向上，截取小塊管段，并磨制拋光成金相試樣，觀察裂紋擴展走向情況（圖3），在厚度方向上，裂紋未裂透，裂紋是由套管內表面向外部發(fā)展的，并且裂紋擴展呈樹枝狀（圖3和圖4），其裂紋特征符合硫化物應力腐蝕斷裂特征[4-5]。從圖4看出，隨著裂紋的擴展及腐蝕介質的進入，致使裂紋沿軸向不斷擴大，從裂紋走勢上看，屬于穿晶脆性斷裂。

圖3 斷裂套管裂紋擴展圖Fig.4 Fracture casing crack propagation

1.4 斷口形貌分析

對套管斷口進行形貌觀察（圖4），套管斷口包括前期裂紋擴展區(qū)和后期瞬斷區(qū)。在裂紋擴展區(qū)，裂紋起源于套管內表面，在腐蝕環(huán)境的作用下裂紋不斷擴展長大，在外力的作用下，會加速裂紋的擴展；當達到臨界裂紋尺寸時，在外力作用下，套管瞬間發(fā)生斷裂，產生瞬斷區(qū)。

圖4 斷裂管道裂紋走向形狀圖（樹枝狀）Fig.4 Crack strike shape diagram of fractured pipeline(dendritic)

放大裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，觀察表面形貌（圖5），前期裂紋擴展區(qū)斷口相對平整，具有典型的河流花樣微觀特征，屬于脆性斷口；而后期瞬斷區(qū)有少許塑性變形，其表面可見黑色夾雜物。

圖5 瞬斷區(qū)（左圖）和裂紋擴展區(qū)（右圖）放大照片Fig.5 Enlarged photos of the transient fault zone(left)and crack growth zone(right)

進一步放大分析裂紋擴展區(qū)，從圖6可以清楚看到河流花樣微觀特征，長度短而曲折，多處形成撕裂嶺。微觀顯示的河流花樣特征，其斷裂起源于夾雜物缺陷處，多數情況下會伴有二次裂紋的產生。

圖6 二次裂紋照片Fig.6 Secondary crack photograph

1.5 微區(qū)成分分析

由圖7 可知，斷面上有硫化物的存在。同時，其他成分還有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca 和Fe，形成有夾雜物或腐蝕產物外，還有砂土的存在。

圖7 斷面成分分析Fig.7 Section component analysis

對管道斷面二次裂紋夾雜物聚集處進行成分掃描（圖8），發(fā)現有S 元素，推斷可能H2S 分離成S2-，并形成了硫化物，致使管道力學性能下降。隨著裂紋進一步擴展，在拉應力作用下最終發(fā)生斷裂。

圖8 斷面裂紋夾雜物成分分析Fig.8 Component analysis of the crack inclusion in cross section

從遠離裂紋源擴展區(qū)成分可知，元素成分主要為C、O 和Fe，此處遠離裂紋源，靠近最終斷裂區(qū)，斷口雜質元素相對較少。佐證了裂紋源分析的正確性，裂紋源由腐蝕引起蝕坑，形成微裂紋，在外部載荷作用下，逐漸向厚度方向和軸向擴展，最終斷裂。

1.6 X射線衍射分析

從斷口表面截取腐蝕產物，進行物相構成分析，X 射線衍射分析譜線圖如圖9 所示。圖9 表明，端面上腐蝕產物主要是鐵的氧化物Fe3O4、Fe2O3和硫化物FeS，而CaCO3是結垢產物。

圖9 X射線衍射分析譜線圖Fig.9 Spectrum of X-ray diffraction analysis

1.7 力學性能試驗

對斷裂油管管體取樣進行拉伸試驗，結果見表1。結果表明，該油管拉伸性能滿足P110鋼級油管的技術要求。

表1 斷裂油管拉伸試驗結果Tab.1 Tensile test results of the fractured oil tubing

2 分析與討論

對管道斷裂宏觀觀察發(fā)現，斷裂裂紋沿環(huán)向，說明管道軸向受力大于環(huán)向受力；同時，套管未發(fā)生頸縮和腐蝕減薄，而且斷口表面平整，斷裂屬于脆性斷裂。通過斷口形貌分析，斷裂擴展區(qū)具有典型的河流花樣微觀特征，且分布有二次裂紋，斷面存在大量腐蝕產物，符合硫化物應力腐蝕開裂（SCC）的斷口形貌特征[6-8]；能譜分析表明，該油管斷口裂紋源區(qū)及擴展區(qū)均存在少量硫元素，也佐證了硫化物應力腐蝕開裂結果。

從斷裂油管的宏、微觀形貌特征及其服役環(huán)境，可初步推斷該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂導致，裂紋起始于管體外表面缺陷處，該油管斷裂原因分析如下：

（1）腐蝕開裂敏感性。硫化氫是碳鋼管道發(fā)生應力腐蝕開裂敏感性輸送介質[9]。然而，該斷裂管道磷元素含量偏高，僅滿足普通碳鋼材料基本性能要求，不能滿足抗硫化物應力腐蝕的要求。

（2）特定的輸送介質。由現場運行工況環(huán)境可知，該斷裂管道伴生氣中硫化氫含量高達3 500 mg/m3，同時該井封隔器與油管連通，油管外表面存在接觸輸送介質的可能性。能譜分析結果表明，該油管斷口及裂紋內均存在硫元素，說明已受到介質侵蝕，達到了發(fā)生硫化物應力腐蝕開裂的環(huán)境條件。

（3）拉應力條件。該斷裂管道靠近井口，其下部連接多根同規(guī)格油管，需承受相當大的軸向拉伸載荷，同時該油管外表面缺陷處產生嚴重應力集中，達到了發(fā)生硫化物應力腐蝕開裂的拉應力條件。

綜上所述，該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂導致，裂紋起裂于油管上的缺陷處，該處在應力集中和含硫介質條件下，首先萌生腐蝕開裂裂紋。

3 結論

造成該油田套管斷裂失效的主要原因是在外部載荷作用下的硫化物應力腐蝕開裂。

該油管斷裂由硫化物應力腐蝕開裂導致，裂紋起裂于油管上的缺陷內，該處在應力集中和含硫介質條件下，首先萌生腐蝕開裂裂紋。

建議控制原材料中硫、磷元素的含量，并加強質量監(jiān)督檢查，通過熱處理避開應力腐蝕電位，盡可能防止應力腐蝕開裂（SCC）[10]的發(fā)生，特別對于含硫氣管道腐蝕分析與防控[11]也要給予充分重視。