高H2S環(huán)境油管斷裂原因分析

李風（1.中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心， 山東 東營 257000；2.中國石油大學（華東）， 山東 東營 25700）

高H2S環(huán)境油管斷裂原因分析

李風1.2（1.中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心， 山東 東營 257000；2.中國石油大學（華東）， 山東 東營 25700）

通過事故調(diào)查、材料檢測、斷口分析，對某油井油管斷裂原因進行了深入分析，得到該油管表面存在大量的嚴重應(yīng)力集中區(qū)，而產(chǎn)出液硫化氫含量較高，油管與硫化氫發(fā)生化學腐蝕后氫擴散、集聚速度加快，最終導致硫化氫致應(yīng)力開裂而發(fā)生斷裂的結(jié)論，并為避免類似事件再發(fā)生提出了建議措施。

金相組織；H2S；電子探針；高周疲勞

事故井為為評價井，局部構(gòu)造濟陽坳陷。設(shè)計井深4240m，完鉆井深4573m，篩管深度3848.95m，射孔井段3850.5～3889.3m；完鉆層位奧陶系，完井方法為套管完井，井型為直井。對斷裂油管打撈后測量，斷口位于井下約340米處。針對油管斷裂進行了以下檢測分析，并根據(jù)檢測分析結(jié)果得出造成油管斷裂的原因以及應(yīng)對措施。

1　化學成分分析

油管材質(zhì)化學成分的分析結(jié)果見表1。

表1　管材的化學成分（%）

2　力學性能分析

斷裂油管的機械性能見表2 。斷裂油管和與之相接的油管力學性能基本一致，其機械性能指標符合API SPEC 5CT 中N80鋼級。

表2　斷裂管和鄰接管的縱向機械性能

3　斷裂管材金相組織分析

斷裂油管縱向組織分析：根據(jù)GB/T 10561-2005標準，非金屬夾雜物，評定為A2.5；D3級，見圖1；根據(jù)GB/T13298標準，縱向帶狀組織評定為B系列3級，塊狀鐵素體晶粒和珠光體團均勻細小，見圖2，均符合API SPEC 5CT 中N80鋼級要求。

圖1　非金屬夾雜物（×100）

圖2　金相組織（×500）圖3斷口宏觀形貌

4　斷口宏觀形貌分析

由圖3可見，斷裂源區(qū)有2個。在裂紋擴展區(qū)具有臺階形貌，最后為明顯的快速撕裂的剪切層。根據(jù)裂紋與發(fā)展逆向原理，確定兩個裂紋萌生點，且兩裂紋相交，出現(xiàn)了臺階。斷口存在高周疲勞多源斷裂的特征，說明油管在斷裂過程中，由于壓力突然泄放出現(xiàn)了高頻震動，直至最后撕裂。

5　斷口微觀分析

由兩個裂紋源之一的塑性變形區(qū)電子探針形貌（圖4）可見，存在較大塑性變形區(qū)，且塑性變形區(qū)的硫和鐵含量很高，與之相對應(yīng)的是，遠離裂紋源區(qū)硫含量低得多（圖5）。成分中Na、Ca、Al、Mg、Zn和Cl等屬于痕量級別，不影響結(jié)果分析。另外一個裂紋源具有相同結(jié)論。

根據(jù)成分測試結(jié)果可知，裂紋在萌生過程中發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開裂。其一般機理是：在硫化氫介質(zhì)中，硫化氫與鐵發(fā)生局部腐蝕，電離出的H2滲入鐵基體，并擴散、集聚而導致裂紋萌生。反應(yīng)式為：

H2S + Fe → FeS + H2

由于氫在材料中擴散、集聚，局部壓力上升而導致機體萌生裂紋，出現(xiàn)較大塑性變形區(qū)。判斷硫化氫致應(yīng)力開裂的主要證據(jù)包括：硫化氫濃度、溫度、材質(zhì)、應(yīng)力狀況、表面腐蝕狀況等。在本案例中，硫化氫濃度為6000ppm、溫度在30℃左右、材料帶狀組織、表面應(yīng)力集中明顯，等等，可以判斷發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開裂。

表3　電子探針成分分析

圖4　裂紋源區(qū)電子探針分析

圖5　遠離裂紋源的電子探針分析

6　斷裂原因分析

斷裂油管金相組織為塊狀鐵素體 + 細片珠光體組織，機械性能達到N80等級，材料中非金屬夾雜物等級為2.5級，帶狀組織等級為B系列3級。

油管表面存在較深的液壓鉗夾持造成的咬痕，由于油管使用時間短，管材表面無明顯腐蝕跡象，但由于管材表面的咬痕為嚴重應(yīng)力集中區(qū)，加速了硫化氫與鐵的化學反應(yīng)，導致氫的擴散、集聚速度加快，裂紋塑性變形區(qū)較大、塑變區(qū)硫含量很高、表面存在明顯的應(yīng)力集中是硫化氫致應(yīng)力開裂的很好證據(jù)。

根據(jù)斷裂作業(yè)、材料分析、斷口成分和斷口形貌分析，作出綜合判斷，油管在交變應(yīng)力作用下，發(fā)生了硫化氫致應(yīng)力開裂，最終導致斷裂。

7　結(jié)語

油井產(chǎn)出液中H2S含量高時，易造成管、桿氫致應(yīng)力開裂，應(yīng)及時對產(chǎn)出液進行組分分析，當H2S含量高時宜采取適當措施，例如使用防硫管材等方式，避免氫致應(yīng)力開裂的發(fā)生對生產(chǎn)造成嚴重后果。

［1］楮武揚.氫損傷和滯后斷裂［M］.冶金工業(yè)出版社，1988.

［2］航空航天工業(yè)部失效分析中心.航空機械失效案例選編［M］.北京：科學出版社，1988.

［3］胡世炎.機械失效分析手冊［K］.成都：I～Jll科學技術(shù)出版社，1999.