110 ksi鋼級連續油管刺漏失效分析*

喬凌云，李博鋒，嚴繼軒，蘆 琳

（1.國家石油天然氣管材工程研究技術中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

1 概 述

連續油管又稱撓性油管、 蛇型管或盤管，是一種高強度、 高塑性、 耐腐蝕、 無螺紋連接的管材，單根長度可達數千米。 連續油管可纏繞在大型卷筒上，廣泛用于鉆井、 測井、 修井、 完井及油氣輸送等領域，貫穿于油氣開采的全過程[1-3]。連續油管作業裝置被譽為萬能作業機[4-7]。 由于服役環境惡劣，作業類型多樣，受力情況復雜多變，連續油管的失效問題變得很棘手[8-11]。

以某油田使用的 110 ksi 鋼級Φ50.8 mm×5.2 mm 連續油管刺漏樣品為研究對象，通過化學成分分析、 力學性能試驗、 金相檢驗、 斷口分析等手段，找出了連續油管刺漏失效的主要原因，還原了連續油管的失效過程。 分析結果對預防和減少連續油管此類失效事故，提高連續油管的使用壽命有一定的參考價值。

2 連續油管刺漏失效分析

某油田使用的110 ksi 鋼級Φ50.8 mm×5.2 mm連續油管，經歷打撈、 鉆塞、 通洗井、 測井、射孔等作業，累計入井40 余次，最后在鉆塞作業中發生刺漏，失效部位為管體母材。 對該連續油管的刺漏樣品進行了宏觀形貌分析、 化學成分分析、 力學性能試驗、 金相檢驗、 斷口分析等。

2.1 宏觀形貌分析

失效連續油管管段實物照片如圖1 所示。 該連續油管在第42 次入井進行鉆塞作業時，管體母材A 點發生刺漏。 刺漏點位于兩條呈人字形交叉的表面裂縫的交叉點上，其中一條裂縫沿管體環向分布，另一條裂縫與管體軸向呈一定夾角（見圖1 （b）），在刺漏點有明顯的金屬損失。 另外，刺漏點環向B 點位置也發現了明顯的機械磨損及腐蝕痕跡 （見圖1 （c））。

圖1 失效連續油管管段實物照片

2.2 化學成分分析

在連續油管失效點附近管段取樣，進行化學成分分析，結果見表1。 由表1 可見，該管段的化學成分符合API SPEC 5ST 要求。

表1 化學成分檢驗結果

2.3 拉伸性能

對失效連續油管進行拉伸性能檢測，檢測結果見表2。 由表2 可見，失效連續油管的拉伸性能滿足API SPEC 5ST 要求。

表2 拉伸性能檢驗結果

2.4 金相組織、 硬度及夾雜物檢驗

對連續油管靠近失效點位置的母材進行金相分析，結果如圖2 所示。 分析結果表明，樣管母材金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，未發現異常組織。

圖2 樣管母材金相組織照片

對失效樣管進行硬度檢測，為25～27 HRC，符合API SPEC 5ST 的要求 （≤30 HRC）。

對失效連續油管進行晶粒度及非金屬夾雜物分析，結果表明，靠近母材晶粒度為13 級，符合API SPEC 5ST 標準8 級或8 級以上要求。 非金屬夾雜物評定結果見表3。 由表3 可見，非金屬夾雜物，D 類為 1.0 級，其余為 0 級，符合API SPEC 5ST 各類夾雜物不大于2 級的要求。

表3 非金屬夾雜物評定結果

2.5 斷口分析

截取失效連續油管的斷口部位，經檸檬酸溶液清洗后的外表面形貌如圖3 所示。 由圖3 可見，外表面有不規則裂縫，裂縫沿鋼管縱向、 環向分布，裂縫較寬，前端圓鈍，底部平整圓滑。沿刺漏點環向裂縫剖開，分別分析剖開的1#試樣和2#試樣。

圖3 失效連續油管斷口部位酸洗后的外表面形貌

2.5.1 1#試樣分析

對1#試樣外管壁進行掃描電鏡觀察，發現裂縫表面附著有大量的腐蝕產物。 對腐蝕產物進行能譜分析發現，腐蝕產物主要為O、 S、 Cl等，這與油田作業工況常見腐蝕介質成分相吻合。 1#試樣表面及裂縫中的腐蝕產物照片如圖4所示。 掃描電鏡照片及能譜分析結果見圖5 和表4。

圖4 1#試樣表面及裂縫中的腐蝕產物照片

圖5 腐蝕坑掃描電鏡照片及能譜分析結果

表4 腐蝕產物能譜分析結果

2.5.2 2#試樣分析

對2#試樣斷裂面進行掃描電鏡觀察，斷口宏觀照片如圖6 所示。 由圖6 可見，2#試樣斷裂面主要由Ⅰ、 Ⅱ兩個區域組成，Ⅰ區為管體外表面環向裂縫的斷面，Ⅱ區為刺漏點斷口。 Ⅰ區局部斷口形貌如圖7 所示，該處在壁厚方向深度2.88 mm，約占鋼管壁厚 （t=5.2 mm） 的 1/2，斷口表面平齊，中間無明顯臺階，底部平坦。 Ⅱ區局部斷口形貌如圖8 所示，圖8 中，A 點靠近鋼管外表面，有明顯的金屬損失，損傷處根部尖銳，深度約為管體壁厚的1/2 以上；B 處為裂紋擴展區，可觀察到疲勞貝紋線；C 處靠近管體內表面，為最終斷裂區。

圖6 2#試樣斷口宏觀照片

圖7 Ⅰ區局部斷口形貌 （裂縫）

圖8 Ⅱ區局部斷口形貌 （刺漏點）

3 分析與討論

失效連續油管的化學成分、 拉伸性能、 硬度檢驗結果均符合API SPEC 5ST 的要求，夾雜物等級較低，金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏，組織均勻，無異常。

失效點附近的鋼管表面有不規則裂縫，刺漏點位于兩條裂縫交叉點，且刺漏點周圍管體外表面有明顯的金屬損失，失效點圓周方向還有一處明顯機械磨損痕跡。

分析認為，失效點及圓周方向有機械磨損，表明此處有硬物頻繁接觸史；失效點附近的裂縫分別沿管體縱向、 環向不規則分布，開裂面較寬，前端圓鈍，底部圓滑，不符合冷裂紋起裂擴展特征，判斷為機械損傷；經酸洗，裂縫面有大量的腐蝕產物，腐蝕產物化學成分與油田常見腐蝕介質相吻合，表明試樣先有機械損傷，然后經過油田介質腐蝕，為陳舊性裂縫；裂縫斷面比較平整，無多次擴展跡象，判斷為一次性機械性損傷；失效點位于兩個裂縫的交叉點，由于此處鋼管壁厚減薄，且交叉點應力集中較大，是鋼管最薄弱的地方，裂紋沿此處開始起裂并擴展；斷口上有疲勞貝紋線，表明管體受循環應力作用，最后以疲勞斷裂形式失效。

綜上所述，本次斷裂是由于連續油管受外力作用產生機械損傷，使管體壁厚減薄，并在裂縫交叉點產生應力集中。 連續油管在腐蝕介質中帶壓循環作業，以應力集中點為起裂源，產生疲勞裂紋，并向內壁擴展。 最終在受力面積不足以承受載荷時，發生瞬時失效——刺漏。

連續油管作業工況環境惡劣，作業中管體容易產生機械損傷。 機械損傷是降低連續油管使用壽命，導致連續油管作業失效主要原因之一[12-15]。作業中預防管體機械損傷的產生是提高連續油管使用壽命，降低作業風險的關鍵。 因此，現場作業中應加強對連續油管的監控，發現損傷應及時進行修復，并且對于損傷嚴重部分應切除后采用對接焊的形式重新連接。 此外，應加強作業過程管理，提高操作人員技能，減少操作失誤，制定合理的作業工藝設置合理的作業安全系數，避免連續油管承受過高拉伸、 內壓及外壓等載荷，從而降低管體損傷的發生。

4 結論及建議

（1） 失效連續油管的化學成分、 拉伸性能、硬度檢驗結果均符合API SPEC 5ST 的要求，夾雜物等級較低，金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏，組織均勻，無異常。

（2） 連續油管刺漏失效是機械損傷和疲勞循環載荷共同作用的結果。

（3） 油田現場應加強作業過程管理和監控，避免因操作不當造成連續油管損傷，是防止連續油管失效，提高連續油管使用壽命的關鍵。