高含硫井放空短節爆管原因分析

李循跡，王宏軍，陳東風，王福善，何新興，常澤亮，蔡 銳

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065） ＊

高含硫井放空短節爆管原因分析

李循跡1，王宏軍1，陳東風1，王福善1，何新興1，常澤亮1，蔡 銳2

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065）＊

對某高含硫井放空短節爆管原因進行了調查研究，分析了短節爆管形貌，對爆管短節材質、現場類似短節材質和庫存備料材質等進行了試驗。通過調查研究和試驗對比分析，認為爆管是高含H2S環境下管材的氫致開裂，材料用錯和硬度超標是爆管主要原因。

高含硫井；放空短節；爆管；選材

2011－08－29，某氣田第一處理廠主控室顯示某井H2S含量檢測超高報警，同時ESD系統聯鎖啟動遠程關井，啟動站外集氣支線（單井）刺漏應急預案。值班巡井工佩戴正壓呼吸器到井場查看，發現井口一級節流后安全閥放空管線泄壓短節發生爆管，管線撕裂長度約22cm。

1 初步分析

放空短節爆管事件發生后，使用單位對事件原因進行了初步分析，認為主要原因是爆管短節為盲腸段，短節尺寸33.7mm×5.6mm，端部閥門質量18.6kg，懸空無支撐，拉力過大，導致短節破壞性撕裂。

對此，塔里木油田分公司組織相關專家進行了現場調研和討論分析，從放空短節爆管形貌和設計、采購、安裝、運行等環節的資料、數據、記錄情況看，認為支撐問題不是爆管的主要原因，主要原因有2點：①放空短節管材本身產品質量不合格；②放空短節用材錯誤。因此，有待實驗室化驗驗證，經專業部門檢測分析后，最終確認爆管事件原因。

隨后委托某專業部門進行取樣及化驗分析，共取樣3處：一處為現場發生爆裂的失效管樣，如圖1所示；一處為該井現場未發生失效的管樣2根；一處為庫存尚未使用的同規格的管材抽取4根，各裁1m長管樣。

圖1 現場失效管樣

2 失效管樣形貌

2.1 宏觀形貌

將失效管樣兩端的焊接部位鋸除后，管樣自然形成了5片。對試樣的內、外壁及斷口進行了宏觀形貌觀察，如圖2～3所示。結果表明：管樣外壁基本無腐蝕，而內壁存在輕微的均勻腐蝕，并可觀察到腐蝕產物；管樣屬縱向開裂，斷口平整，無塑性變形；斷口基本獨立形成，多處呈階梯狀。斷口屬多源起裂，且基本源于內表面。

圖2 失效管樣內壁宏觀形貌

圖3 失效管樣斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

采用掃描電鏡對失效管樣斷口進行微觀形貌觀察。結果表明：斷口呈明顯的沿晶斷裂形貌，局部可觀察到放射線花樣或雞爪狀紋路，如圖4所示。

圖4 斷口沿晶斷裂形貌（酸洗后）

2.3 內壁微觀形貌

對失效管樣內壁進行微觀形貌觀察發現：管樣內壁存在微裂紋，局部可觀察到明顯的沿晶裂紋，如圖5～6所示。

圖5 失效管樣內壁裂紋

圖6 失效管樣內壁沿晶微裂紋

3 材質和腐蝕產物分析

3.1 化學成分

依據GB／T 4336—2002標準，采用ARL 4460型直讀光譜儀，分別對失效管樣、未失效管樣、庫存管樣進行化學成分分析，結果如表1所示。分析結果表明：失效管樣、未失效管樣的C、P、S三種元素含量不符合GB／T 9711.3—2005標準對L245NCS材質化學成分的要求，庫房管樣的化學成分符合GB／T 9711.3—2005標準對L245NCS材質化學成分的要求。

表1 化學成分分析結果wB%

3.2 金相組織

依據GB／T 13298—91、GB／T 6394—2002、GB／T 10561—2005分別對失效管樣、未失效管樣和庫存管樣進行金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物檢驗，檢測結果如表2及圖7～9所示。分析結果表明，失效管樣和未失效管樣的晶粒明顯粗于庫存管樣。

表2 金相組織分析結果

圖7 失效管樣金相組織

圖8 未失效管樣金相組織

圖9 庫存管樣金相組織

3.3 拉伸性能

依據標準GB／T 228—2002，采用UH－F500KNI型拉伸試驗機，對庫存管樣進行拉伸性能測試。測試結果表明，試樣的拉伸性能符合GB／T 9711.3—2005標準要求。

3.4 腐蝕產物分析

采用EDS對失效管樣內壁腐蝕產物進行元素分析，結果如圖12所示。采用XRD對失效管樣內壁腐蝕產物進行物相分析，結果如圖13所示。分析結果表明，失效管樣內壁的腐蝕產物主要為Fe7S8。

圖10 內壁腐蝕產物EDS圖譜

圖11 內壁腐蝕產物XRD圖譜

3.5 硬度測試

依據GB／T 4340選擇8個測試點分別對失效管樣、未失效管樣和庫存管樣進行維氏硬度測試，測試結果如表3所示。分析結果表明：失效管樣和未失效管樣的維氏硬度均遠大于庫存管樣的硬度值，且不滿足設計要求的硬度檢測值標準。庫存管樣的維氏硬度值滿足設計要求的硬度檢測值 標準。

表3 硬度測試結果

4 爆管原因分析［1－4］

4.1 爆管特征

1） 管樣為縱向開裂，斷口平整，無塑性變形，各個斷口相互獨立，多處呈階梯狀，屬多源起裂，且基本起源于內表面。

2） 斷口呈明顯的沿晶斷裂形貌，局部可觀察到放射線花樣或雞爪狀紋路。

3） 管樣內壁及內表面存在多處裂紋，主裂紋呈臺階狀，主裂紋旁有細小二次裂紋，裂紋主要呈沿晶特征。

4） 管樣外壁基本無腐蝕，而內壁存在輕微的均勻腐蝕，并可觀察到腐蝕產物，腐蝕產物主要為Fe7S8。

4.2 爆管失效機理

該井爆管管段輸送的是未經凈化的含H2S的濕天然氣，且H2S含量高達7 100mg／m3。非酸性環境下用的碳鋼管材在濕H2S環境中容易發生氫致開裂，形成直線狀裂紋、階梯狀裂紋等。H2S溶于水中后會發生電離，并與鋼材作用發生電化學反應。HS－和S2－極易吸附在鐵的表面，從而阻止陰極去極化作用產生的原子氫結合為分子氫，導致大量的原子氫進入金屬基體，原子氫總是向高應力區聚集，降低了晶格結合強度和金屬的塑性而脆化。H－和S2－除可使鋼中氫濃度增加外，還可與鐵原子牢固鍵合，使金屬原子間結合減弱，從而促進Fe的陽極溶解速度。對于低強度材料，原子態氫會在材料內的各種缺陷如第二相、晶界、空穴等處聚合成分子氫；氫的不斷復合和增加，致使缺陷處形成壓力很高的氫氣區；高壓使材料產生階梯裂紋或分層，隨著裂紋的擴展及貫穿，導致發生斷裂。

4.3 材質環境適用性

對失效管樣和未失效管樣的材質分析試驗結果表明：失效管樣的化學成分不符合GB／T 9711.3— 2005標準要求，檢測硬度值約240HV10，該材質鋼管無法滿足設計和現場使用環境要求。

4.4 爆管與懸空閥門的關系

爆管管段設計壓力為25MPa，實際使用壓力為17.9MPa，規格33.7mm×5.6mm，總長25cm；管段一側與18.6kg的閥門連接，處于懸空無支撐狀態。經計算，在17.9MPa內壓作用下，管段的環向應力為53.9MPa，軸向應力為27.0MPa；懸空閥門作用在管段上的最大正應力約14MPa，最大切應力約1.5MPa，懸空閥門的作用可忽略。

5 結論

1） 爆管的類型為高含H2S環境下管材的氫致開裂。爆管原因是管材的氫致開裂造成管段內部形成大量裂紋，致使管段承壓、承重能力大幅降低而導致爆裂。

2） 爆管短節的材質非L245NCS，材料用錯，無法滿足現場使用環境要求。

3） 爆管短節的檢測硬度值超過設計要求，原因是現場熱處理不合格，或用錯材料本身硬度值超標。

4） 建議對類似高含硫井放空短節進行現場抽查，檢測硬度和化學成分（打光譜），對發現材料用錯、硬度超標的，及時進行整改，確保生產安全。

［1］ 李 軒，劉道新，徐子鵬，等.形變與殘余應力對管線鋼氫致開裂行為的影響［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：77－82.

［2］ 張 瑟，張國正，張春婉，等.雙臺肩鉆桿接頭開裂失效分析［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：71－77.

［3］ 趙雪會，胡志兵，白真權，等.不銹鋼在含氫介質條件下的脆性變化分析［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：41－46.

［4］ 劉 利，劉道新，鮮 寧，等.取樣方法對管線鋼應力腐蝕開裂行為影響的研究［J］.石油礦場機械，2008，37（1）：51－55.

Analyses of Vent Short Piping Burst in High Sulfur Content Well

LI Xun－ji1，WANG Hong－jun1，CHEN Dong－feng1，WANG Fu－shan1，HE Xin－xing1，CHANG Ze－liang1，CAI Rui2
（1.Petrochina Tarim Oilfield Company，Korla841000，China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an710065，China）

The short section of pipe explosion’s causes of high sulfur content well was investigated.The burst short section of piping’s appearance was analyzed，and the burst short section of piping’s material，test material of the similar short section and the short section on storeroom were tested.Through the investigation and test comparison and analysis，it was believed that the high hydrogen sulfide environment cause pipe’s hydrogen induced cracking.The material errors and excessive weld hardness is the main reason.

high sulfur content well；vent short piping；pipe burst；material selection

1001－3482（2012）07－0070－04

TE931.2

A

2012－01－12

李循跡（1961－），男，山東文登人，教授級高級工程師，碩士，主要從事石油機械裝備管理工作，E－mail：lixunji＿cn＠sina.com.cn。