張金偉, 王克棟, 黃清生, 楊 棟

(機械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司, 上海 201518)

油氣田使用的油管服役條件十分惡劣，除了要承受液注力、摩擦力等復(fù)雜交變載荷的作用，還要承受內(nèi)外部油、水、CO2、H2S、溶解氧和細(xì)菌等多種腐蝕介質(zhì)的破壞，油管失效事故頻發(fā)，給油氣田的安全生產(chǎn)帶來很大困擾。

某油田S-142井自井口第73根油管在使用約700 d后發(fā)生斷裂，其載荷為20～21 t。該斷裂油管結(jié)構(gòu)形式為管端加厚型，斷裂位于墩粗端，距管端頭螺紋約211 mm，斷裂部位的管外徑為74.9 mm，壁厚為5.7 mm，材料為N80Q鋼，油管內(nèi)介質(zhì)為油、氣和水，介質(zhì)中含有CaCl2，CO2，H2S，礦化度(單位體積液體介質(zhì)中所含的各種離子、分子和化合物的總量)為10 000 mg/L。為查明油管斷裂原因，筆者在該斷裂油管上取樣并進行一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

油管斷裂發(fā)生在距管端頭螺紋211 mm處，該段油管螺紋側(cè)略粗，斷裂部位實測外徑為74.9 mm。管內(nèi)、外存在油污，外壁存在機械損傷，呈有規(guī)律排列的油管鉗夾持痕跡和凹坑。剖開油管后可見內(nèi)壁表面存在腐蝕坑，斷裂面垂直于油管縱向，較平齊。油管沒有發(fā)生明顯變形，在斷裂面上同時可見平行斷面的環(huán)向裂紋和垂直斷面的二次裂紋(見圖1)。

圖1 斷裂油管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂油管上取樣并進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 斷裂油管化學(xué)成分 %

在SY/T 6194—2003 《石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管》表C.5中規(guī)定，第一組中的H，J，K和N鋼級所有油管中的硫、磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.030%，其他化學(xué)元素含量未作規(guī)定，油管以能達(dá)到相應(yīng)的力學(xué)性能為準(zhǔn)。

1.3 斷口分析

1.3.1 宏觀形貌

油管主斷裂面垂直于油管縱向，為橫向斷裂。在斷裂面上同時存在著橫向裂紋和縱向裂紋，主斷裂面粗糙、有油污，清洗后可見人字形花樣，斷裂面的壁厚無明顯減薄，無宏觀塑性變形，無剪切唇。斷裂源呈多源特征，外壁裂紋源于機械損傷，內(nèi)壁裂紋源于腐蝕坑(見圖2)。

圖2 斷面宏觀形貌

1.3.2 微觀形貌

根據(jù)油管斷裂的特點，取主斷裂面和縱向裂紋斷面進行微觀形貌分析。主斷裂面和縱向裂紋斷面微觀形貌基本相同，主要為氫脆準(zhǔn)解理+韌窩+空洞+二次裂紋。主斷裂面較粗糙，其裂紋擴展區(qū)的微觀形貌在低倍下呈人字形花樣[1]，在高倍下為氫脆準(zhǔn)解理+韌窩+二次裂紋；內(nèi)壁表面可見腐蝕坑和坑底裂紋，裂紋尖端有剪切韌窩[2][見圖3a)，3b)]?？v向裂紋斷面的微觀形貌在低倍下呈放射狀，在高倍下為氫脆準(zhǔn)解理+空洞+沿晶二次裂紋+少量韌窩；其裂紋擴展區(qū)的微觀形貌為韌窩+氫脆準(zhǔn)解理+二次裂紋[見圖3c)，3d)]。

圖3 斷面微觀形貌

1.4 金相檢驗

對斷裂油管進行金相檢驗。斷口剖面處顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體，呈沿軸向分布的帶狀組織特征，非金屬夾雜物等級為A1.5，B0.5[見圖4a),4c)]。在外壁表面存在氫鼓泡，同時觀察氫鼓泡處產(chǎn)生的裂紋，裂紋擴展尖端呈臺階串接的特點[見圖4b)]。由斷口剖面微觀形貌可知，裂紋擴展區(qū)呈穿晶和沿晶的混合特征，內(nèi)、外壁的腐蝕坑和機械損傷是裂紋源區(qū)，在裂紋中和裂紋周圍存在較多的非金屬夾雜物。在主斷面上可以觀察到已擴展較深的二次裂紋，二次裂紋和內(nèi)、外壁裂紋的擴展形態(tài)相同[見圖4d)]。

圖4 斷裂油管微觀形貌

1.5 能譜分析

取油管內(nèi)垢物和斷口表面附著物進行腐蝕產(chǎn)物的X射線能譜(EDS)分析。表2為EDS分析結(jié)果，結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要含有氧、鎂、鋁、硅、硫、氯、鉀、鈣、鐵等元素，其中硫元素含量較高。

表2 腐蝕產(chǎn)物化學(xué)元素EDS分析結(jié)果 %

1.6 硬度測試

在油管橫截面上劃分的4個象限區(qū)域內(nèi)的外部、中部和內(nèi)部分別進行硬度測試，同時還在油管外壁表面以及表面機械損傷部位進行硬度測試，結(jié)果如表3所示。

表3 油管硬度測試結(jié)果 HRC

硬度測試結(jié)果表明，油管沿厚度方向中心部位的硬度明顯高于內(nèi)、外壁的；油管表面機械損傷部位的硬度明顯高于表面正常部位的。

2 綜合分析

斷裂油管的顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體，存在帶狀組織[3]和非金屬夾雜物，反映了該油管經(jīng)過了淬火+回火，符合SY/T 6194—2003中對N80Q級油管熱處理的要求。顯微組織中觀察到氫鼓泡和二次裂紋[4-5],裂紋尖端呈氫致開裂特征。油管斷裂宏觀上呈脆性斷裂特征[6-7]，微觀上呈典型的氫致開裂特征。油管斷裂是濕H2S+CO2引起的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)[8-9]。

SSCC在工程上是一種常見的破壞現(xiàn)象，其開裂的特點是陰極充氫導(dǎo)致氫脆裂紋。可發(fā)生SSCC的材料包括低碳鋼、低合金鋼、高強鋼、不銹鋼等，開裂傾向隨材料的強度升高而增加。在濕H2S介質(zhì)中，材料抗SSCC能力受溫度、H2S濃度、介質(zhì)pH值、應(yīng)力大小[10-11]及分布狀態(tài)、材料化學(xué)成分和組織形態(tài)、金屬焊接質(zhì)量和表面質(zhì)量、熱處理狀態(tài)等多種因素的影響。

從介質(zhì)因素方面來說，濕H2S是低合金鋼發(fā)生SSCC的敏感介質(zhì)。該斷裂油管工作介質(zhì)為油、氣和水，介質(zhì)中含有CaCl2，CO2，H2S；EDS分析結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中硫元素含量較高。由于水和CO2的存在，介質(zhì)呈酸性，產(chǎn)生H+去極化腐蝕，而介質(zhì)中H2S的存在阻止了腐蝕反應(yīng)生成的H原子向H2轉(zhuǎn)變，使H原子向材料內(nèi)部擴散，造成材料產(chǎn)生陰極充氫，形成氫鼓泡和氫致開裂。濕H2S引起的開裂包括SSCC、氫致開裂(HIC)、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)及氫鼓泡(HB)，其破壞敏感度隨H2S濃度的增加而增加，在飽和濕H2S中達(dá)最大值。

從材料化學(xué)成分和顯微組織形態(tài)方面來說，鋼中影響H2S腐蝕的主要化學(xué)元素是錳和硫，錳元素易使設(shè)備在焊接過程中產(chǎn)生馬氏體和貝氏體，這些高強度、低韌性的顯微組織表現(xiàn)出較高硬度，這對設(shè)備抗SSCC極為不利；硫元素則在鋼中形成MnS，F(xiàn)eS等非金屬夾雜物，使局部顯微組織疏松，在濕H2S環(huán)境下易誘發(fā)HIC，SOHIC和HB。觀察斷裂油管的顯微組織發(fā)現(xiàn)，在裂紋中和裂紋的周圍存在較多的非金屬夾雜物，表明非金屬夾雜物對誘發(fā)濕H2S環(huán)境下的HIC或SOHIC有促進作用。針對斷裂油管中存在帶狀組織的問題，張旺峰等[12]的研究結(jié)果表明，材料組織中存在與施加應(yīng)力方向平行的帶狀組織，可以起到阻礙裂紋擴展的作用，從而提高其SSCC抗力。

材料硬度對SSCC敏感性的影響很大，對于在濕H2S介質(zhì)中使用的材料，其硬度應(yīng)控制在22 HRC以下。斷裂油管整體硬度偏高，特別是表面機械損傷部位的硬度明顯高于周圍正常部位。機械損傷造成材料局部硬化和應(yīng)力集中[13-14]，對裂紋的形成起促進作用，使該部位對應(yīng)力腐蝕開裂更加敏感，加速了油管應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

油管斷裂是濕H2S環(huán)境下產(chǎn)生的SSCC。操作介質(zhì)中存在H2S和CO2是油管產(chǎn)生SSCC的主要原因，油管表面工具和卡具引起的機械損傷造成材料局部硬化和應(yīng)力集中以及顯微組織中存在非金屬夾雜物，這些都對裂紋的形成起到促進作用，同時加速了油管應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。