Φ88.9 mm×6.45 mm P110S 油管接頭脫扣失效原因分析

張 永， 楊莎莎， 呂慶鋼， 姬丙寅， 史交齊

（1. 中國石化西北油田分公司， 新疆 輪臺(tái)841600；2. 西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司， 西安710075）

1 概 述

某油井在起油管施工過程中， 指重表噸位由128 t 突 然 降 至60 t， 后 證 實(shí) 在2 745 m 位 置Φ88.9 mm×6.45 mm P110S 油管接頭現(xiàn)場端發(fā)生脫扣事故， 底部落魚共計(jì)長度4 073 m， 成功打撈出所有落魚管柱 （包括對(duì)應(yīng)接箍油管）。 失效油管接頭螺紋形貌如圖1 所示。

圖1 脫扣油管接頭內(nèi)、外螺紋形貌

為了找出油管接頭脫扣失效的原因， 對(duì)失效樣品進(jìn)行了宏觀形貌分析、 幾何尺寸測量、 理化性能檢測、 微觀形貌分析等檢測及試驗(yàn)， 并對(duì)油管接頭的產(chǎn)品質(zhì)量和現(xiàn)場操作兩方面進(jìn)行了分析， 以期為類似油管接頭脫扣失效事故提供分析思路。

2 檢測和試驗(yàn)分析結(jié)果

2.1 失效接頭宏觀形貌及分析

觀察失效接頭管體現(xiàn)場端外螺紋（編號(hào)1YA） 損傷形貌發(fā)現(xiàn)， 外形未發(fā)生明顯徑縮、 伸長等變形， 未見嚴(yán)重粘扣、 錯(cuò)扣等損傷形貌。 螺紋錐度也未發(fā)生明顯改變， 部分螺紋有明顯擦傷、變形等損傷形貌。 從損傷分布來看， 在距離臺(tái)肩端面長約58 mm 螺紋范圍內(nèi)可觀察到損傷形貌，其他位置（包括密封面和臺(tái)肩面） 未見明顯損傷痕跡； 從損傷程度來看， 在8～12 扣范圍內(nèi)齒形變形明顯， 其承載面和齒頂面被擠壓呈圓弧面，外螺紋損傷形貌如圖2 所示。 考慮到螺旋升角的影響， 實(shí)際螺紋損傷位置在對(duì)應(yīng)起始扣起至11扣或12 扣的范圍內(nèi)。

圖2 1Y-A 外螺紋損傷形貌

觀察失效接頭接箍現(xiàn)場端內(nèi)螺紋（編號(hào)1YB） 損傷形貌發(fā)現(xiàn)， 同外螺紋損傷形貌相似， 外形尺寸、 螺紋錐度未見明顯變形， 磷化膜大多保持完好， 部分螺紋有擦傷、 變形等損傷形貌。 從損傷分布來看， 在距離接箍端面最長52 mm 的長度范圍內(nèi)均可觀察到螺紋有擦傷、 變形等損傷形貌， 其他位置未見明顯損傷； 從損傷程度來看， 在5～11 扣范圍內(nèi)齒形受損嚴(yán)重， 齒頂有明顯擠壓變形及擦傷痕跡， 部分齒頂截面呈傘形狀。 另外發(fā)現(xiàn)磷化層有破損， 表面金屬呈銹紅色光澤， 內(nèi)螺紋損傷形貌如圖3 所示。 由圖2 和圖3可知， 內(nèi)螺紋與外螺紋損傷的扣數(shù)相吻合。

圖3 1Y-B 內(nèi)螺紋損傷形貌

另外發(fā)現(xiàn)， 內(nèi)螺紋表面殘存有大量褐色附著物， 呈膜狀和顆粒狀分布， 應(yīng)該是入井流體（如泥漿） 干涸后形成的垢膜， 這些垢膜較難清洗，經(jīng)浸泡清洗后仍有部分殘留物無法清除， 這與其他較容易清洗部位明顯不同， 說明該部位與入井流體接觸時(shí)間較其他部位長， 即沉積時(shí)間較長。

接箍外壁可見打撈工具留下的壓痕及兩種鉗牙的痕跡， 如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 一種鉗牙印呈點(diǎn)狀分布， 長度約82.58 mm， 距離接箍現(xiàn)場端端面最短26.00 mm， 為工廠上扣的大鉗牙痕； 另一種鉗牙印呈線狀分布， 長度約96.24 mm， 距離接箍現(xiàn)場端端面最短28.00 mm，與現(xiàn)場鉗牙牙痕近似， 應(yīng)該為現(xiàn)場上扣時(shí)大鉗牙痕， 可以證實(shí)上扣時(shí)大鉗夾持在接箍外壁偏現(xiàn)場端螺紋對(duì)應(yīng)的位置。

圖4 失效接頭接箍的外觀形貌

失效接頭現(xiàn)場端內(nèi)、 外螺紋表面二次損傷形貌如圖5 所示。 在失效接頭外螺紋 （圖5（a））、 內(nèi)螺紋 （圖5 （b）） 表面還觀察到許多部位明顯的二次損傷形貌特征， 外螺紋表面除沿軸向 （滑脫方向） 有一個(gè)損傷面外， 沿環(huán)向（周長方向） 存在一個(gè)連續(xù)的溝槽狀損傷形貌，溝槽上邊緣有折疊卷曲， 且與脫扣造成損傷形貌的方向相反， 依據(jù)單純的脫扣是不會(huì)一次性造成這種形貌， 因此判斷出環(huán)向損傷在滑脫損傷之前； 齒頂在擦傷面上存在一個(gè)折疊擠壓的金屬毛刺， 其折疊方向與脫扣方向完全相反，單純依靠脫扣一次作用力不可能形成這種損傷形貌。 內(nèi)螺紋表面除沿軸向 （滑脫方向） 有一個(gè)損傷面外， 沿環(huán)向 （周長方向） 還存在一個(gè)連續(xù)的溝槽狀損傷形貌， 其位置在現(xiàn)場上扣的最后一扣處。 內(nèi)螺紋損傷與外螺紋損傷形貌有對(duì)應(yīng)關(guān)系， 損傷界面的形貌， 其損傷界面與脫扣受力方向不一致， 所以僅靠脫扣一次作用力不可能形成這種損傷形貌， 再次證明螺紋在脫扣前已經(jīng)存在一定的損傷。

圖5 失效接頭現(xiàn)場端內(nèi)、外螺紋表面二次損傷形貌

2.2 性能檢驗(yàn)及分析

對(duì)失效接頭的接箍和管體分別進(jìn)行幾何尺寸測量， 結(jié)果分別見表1 和表2。 從表1、 表2 可以看出， 失效接頭管體的外徑、 壁厚和接箍外徑滿足供貨技術(shù)條件要求。

表1 接箍截面外徑測量結(jié)果 mm

表2 管體幾何尺寸測量結(jié)果

為了檢驗(yàn)管體和接箍的化學(xué)成分， 分別在管體和接箍上切取30 mm×30 mm 的試驗(yàn)樣品， 采用ARL 3460 直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析， 分析結(jié)果見表3。 分析結(jié)果表明， 管體和接箍失效樣品的化學(xué)成分均符合供貨技術(shù)條件要求。

表3 管體和接箍化學(xué)成分分析結(jié)果

在管體上切取寬度為19 mm 的板狀拉伸試樣， 采用SHT4106 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)； 在接箍上切取Φ6.5 mm 棒狀拉伸試樣， 采用CMT5205 電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。 拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4， 由表4 可以看出，管體和接箍失效試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合供貨技術(shù)協(xié)議要求。

表4 管體和接箍拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)管體和接箍的沖擊性能， 分別在管體和接箍上切取沖擊試樣， 采用ZBC2302 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)， 結(jié)果見表5。由表5 可以看出， 管體和接箍失效樣品的沖擊性能滿足供貨技術(shù)協(xié)議要求。

分別在管體上切取硬度環(huán)狀試樣， 接箍上切取硬度塊狀試樣， 采用200HRS-150 洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測， 硬度環(huán)等分為4 個(gè)象限， 管體硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6， 接箍硬度試驗(yàn)結(jié)果見表7。 由表6 和表7 可以看出， 管體和接箍失效試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果均滿足供貨技術(shù)協(xié)議要求。

表5 管體和接箍0 ℃V 形缺口夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

分別在管體和接箍上切取金相顯微試樣， 采用Axio Vert.A1 金相顯微鏡進(jìn)行金相組織、 晶粒度和非金屬夾雜物分析， 其組織形貌如圖6 所示， 非金屬夾雜物檢測結(jié)果見表8。 由圖6 （a）可以看出， 管體的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體， 晶粒度級(jí)別為9.4 級(jí)； 接箍的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體， 晶粒度級(jí)別為9.0 級(jí)。分析結(jié)果表明， 管體和接箍的材料性能符合供貨技術(shù)協(xié)議要求。

表6 管體洛氏硬度檢測結(jié)果 HRC

表7 接箍洛氏硬度檢測結(jié)果

圖6 失效接頭金相顯微組織形貌

表8 管體和接箍的非金屬夾雜物檢測結(jié)果

2.3 失效接頭密封面和臺(tái)肩面接觸形貌分析

為了觀察密封面和臺(tái)肩面接觸情況， 在失效接頭現(xiàn)場端、 工廠端內(nèi)外螺紋部分截取試樣， 觀察失效接頭密封面和臺(tái)肩面的接觸形貌。 失效接頭內(nèi)、 外螺紋的的具體取樣情況見表9。

表9 失效接頭內(nèi)、外螺紋取樣情況

2.3.1 現(xiàn)場端密封面和臺(tái)肩面接觸形貌分析

失效接頭現(xiàn)場端密封面和臺(tái)肩面的宏觀形貌如圖7 所示。 對(duì)1YA-1 （圖7 （a）、 圖7 （b））和1YB-1 （圖7 （c）、 圖7 （d）） 密封面和臺(tái)肩面試樣的宏觀形貌進(jìn)行觀察， 結(jié)果顯示， 主密封和臺(tái)肩面較為完好， 加工刀痕也較為完整， 磷化層也較為完整。

失效接頭現(xiàn)場端密封面和臺(tái)肩面的微觀形貌如圖8 所示。 由1YA-1 的微觀形貌 （圖8 （a）、圖8 （b）） 可清晰的看到， 失效接頭的密封面和臺(tái)肩表面的加工刀痕較為完整， 未看到環(huán)形連續(xù)的擠壓變形痕跡 （正常上扣到位的情況下，上扣后密封和臺(tái)肩面過盈接觸后表面存在明顯的擠壓變形痕跡）， 說明接頭密封面和臺(tái)肩面現(xiàn)場上扣時(shí)未發(fā)生過盈接觸。 由1YB-1 的微觀形貌 （圖8 （c）、 圖8 （d）） 可清晰地看到， 失效接頭的密封面和臺(tái)肩表面的磷化膜較為完整，也未觀察到環(huán)形連續(xù)的擠壓或刮擦變形痕跡。

2.3.2 工廠端密封面和臺(tái)肩面接觸形貌分析

失效接頭工廠端密封面和臺(tái)肩面的宏觀形貌如圖9 所示。 對(duì)1YA-2 （圖9 （a）、 圖9 （b）)和1YB-2 （圖9 （c）、 圖9 （d）） 的密封面和臺(tái)肩面試樣的宏觀形貌進(jìn)行觀察， 1YA-2 主密封和臺(tái)肩面具有明顯擦傷痕跡； 1YB-2 主密封磷化層可觀察到一道明顯的擠壓痕跡， 臺(tái)肩面可觀察到有刮擦痕跡， 這與現(xiàn)場端微觀形貌有較明顯的差異。

失效接頭工廠端密封面和臺(tái)肩面的微觀形貌如圖10 所示。 從1Y-A-2 （圖10 （a）、 圖10 （b））和1Y-B-2 （圖10 （c）、 圖10 （d）） 的密封面和臺(tái)肩表面試樣的微觀形貌均可觀察到， 主密封和臺(tái)肩表面圓弧附近存在較連續(xù)的擠壓變形痕跡， 顯示該接頭密封面和臺(tái)肩面現(xiàn)場上扣時(shí)曾發(fā)生過盈接觸。

圖7 失效接頭現(xiàn)場端密封面和臺(tái)肩面宏觀形貌

圖8 失效接頭現(xiàn)場端密封面和臺(tái)肩面微觀形貌

圖9 失效接頭工廠端密封面和臺(tái)肩面宏觀形貌

圖10 失效接頭工廠端密封面和臺(tái)肩面微觀形貌

2.4 失效接頭現(xiàn)場端螺紋損傷對(duì)應(yīng)位置分析

失效接頭現(xiàn)場端內(nèi)、 外螺紋損傷位置對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖11 所示。 觀察1YA-1、 1YB-1 試樣形貌， 可見外螺紋實(shí)際損傷長度約為50～52 mm（對(duì)應(yīng)起始扣起第11 扣的范圍內(nèi)）， 內(nèi)螺紋實(shí)際損傷長度最長52 mm （起始扣起約11 扣）， 二者較為吻合。 說明螺紋滑脫前內(nèi)、 外螺紋嚙合長度約為50～52 mm， 大約11～12 扣左右。 圖12 所示為內(nèi)、 外螺紋損傷位置、 嚙合長度、 損傷形貌模擬配對(duì)， 進(jìn)一步證實(shí)該失效接頭現(xiàn)場端上扣未到位。

圖11 失效接頭現(xiàn)場端內(nèi)、外螺紋損傷位置對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖12 失效接頭現(xiàn)場端內(nèi)、外螺紋模擬配對(duì)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 分析與討論

3.1 接頭現(xiàn)場端螺紋滑脫失效的主要原因

3.1.1 產(chǎn)品質(zhì)量

由于本次失效接頭是脫扣失效， 加之打撈過程對(duì)接頭損傷較小， 所以除內(nèi)、 外螺紋受損嚴(yán)重?zé)o法檢測外， 失效接頭的管體、 接箍的幾何尺寸及材料性能均未受到影響， 可以進(jìn)行常規(guī)性能檢測。 對(duì)失效接頭管體和接箍的幾何尺寸、 化學(xué)成分、 拉伸性能、 硬度、 沖擊韌性、 金相組織等的檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常， 所檢項(xiàng)目均符合訂貨標(biāo)準(zhǔn)要求。

至于與滑脫有關(guān)的螺紋參數(shù)， 本次檢測雖然無法進(jìn)行， 但從失效接頭螺紋宏觀和微觀形貌觀察可知， 外螺紋（包括尾扣） 及接箍螺紋加工結(jié)構(gòu)完整， 內(nèi)螺紋磷化膜質(zhì)量也較好， 未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重粘扣、 錯(cuò)扣等異常情況； 而且從該批油管到貨商檢結(jié)果來看， 合格率為100%， 也未發(fā)現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題。 該規(guī)格油管同批累計(jì)到貨3 082 根，截止目前分別在8 口井使用， 其他井也未發(fā)現(xiàn)問題， 均使用正常。因此， 幾何尺寸和材料性能等產(chǎn)品質(zhì)量不是造成事故的主要原因。

3.1.2 現(xiàn)場操作

從現(xiàn)場提供的扭矩曲線 （如圖13 所示） 來看， 所有入井接頭的實(shí)際上扣扭矩均達(dá)到目標(biāo)控制扭矩， 所以失效接頭不存在扭矩不足或過扭矩等不合格的情況； 從作業(yè)過程來看， 也未發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生倒扣的操作； 從失效接頭內(nèi)、 外螺紋損傷宏觀和微觀形貌分析， 也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重粘扣或錯(cuò)扣的情況， 所以造成事故的主要原因不可能是上述因素引起， 只可能是現(xiàn)場上扣不到位造成的。 事實(shí)上， 有充足的證據(jù)顯示本次事故接頭在現(xiàn)場上扣時(shí)， 雖然扭矩已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)控制扭矩， 但上扣存在嚴(yán)重未到位的情況。 具體原因分析如下：

圖13 失效接頭部分上扣扭矩曲線

（1） 螺紋宏觀和微觀損傷形貌

分析螺紋宏觀、 微觀形貌發(fā)現(xiàn)， 內(nèi)、 外螺紋存在損傷痕跡的螺紋長度為50～52 mm， 對(duì)應(yīng)螺紋牙數(shù)最多為12 扣， 這與該規(guī)格正常的嚙合螺紋長度65 mm （對(duì)應(yīng)15～16 扣） 相差約3～4 扣， 所以可以推斷， 現(xiàn)場上扣并未到位（密封和臺(tái)肩也未有效接觸）， 這是造成失效接頭發(fā)生脫扣及連接強(qiáng)度嚴(yán)重降低的主要原因[1-10]。

（2） 密封和臺(tái)肩面微觀形貌

對(duì)失效接頭的現(xiàn)場及工廠上扣端的密封面、臺(tái)肩表面分別進(jìn)行掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)， 工廠上扣端內(nèi)、 外螺紋的密封面和臺(tái)肩面可清楚地觀察到連續(xù)接觸造成的擠壓痕跡， 而現(xiàn)場端均未觀察到這種形貌， 這說明現(xiàn)場端上扣時(shí)密封面和臺(tái)肩面未發(fā)生有效過盈接觸， 證實(shí)現(xiàn)場端螺紋上扣未到位。

3.2 油管螺紋接頭現(xiàn)場端上扣不到位的原因

3.2.1 泥漿污染接箍內(nèi)螺紋

從現(xiàn)場報(bào)告了解到， 在下失效接頭油管的時(shí)間段內(nèi)存在水眼冒漿， 當(dāng)這些泥漿與螺紋脂相混時(shí)， 泥漿中含有的固體顆粒雜質(zhì)夾在內(nèi)、 外螺紋之間， 不但影響螺紋脂本身的潤滑性能， 而且很可能導(dǎo)致螺紋上扣扭矩發(fā)生較大的改變， 出現(xiàn)扭矩異常增大的可能。 在極端情況下會(huì)干擾扭矩短時(shí)間達(dá)到上扣控制扭矩， 造成扭矩達(dá)到上扣控制扭矩而實(shí)際上扣不到位。

3.2.2 脫扣前螺紋有輕微損傷

從失效接頭宏觀、 微觀損傷形貌可觀察到螺紋具有二次損傷形貌， 證明螺紋在滑脫前已經(jīng)存在輕微的損傷， 若損傷導(dǎo)致螺紋牙形的改變，這將導(dǎo)致內(nèi)、 外螺紋嚙合過程中產(chǎn)生較大的阻力和摩擦力， 加上其他不利條件 （夾持力較大、上扣速度快等） 則完全有可能導(dǎo)致上扣扭矩異常升高。

3.2.3 大鉗鉗牙夾持位置

從失效接箍外表面鉗牙夾持痕跡來看， 上扣時(shí)鉗牙已經(jīng)夾持在接箍現(xiàn)場上扣端偏上的位置，隨著上扣扭矩的增大， 這種大鉗的夾持力會(huì)逐漸增高， 不但有可能導(dǎo)致接箍變形， 也使得內(nèi)、 外螺紋的過盈量會(huì)額外增大， 造成扭矩值異常增大。 通常鉗牙應(yīng)該夾持在接箍中部偏下， 盡量不要夾持到現(xiàn)場端螺紋的上部， 這樣才能防止因夾持不當(dāng)對(duì)螺紋上扣扭矩產(chǎn)生不良影響。 從失效接箍內(nèi)螺紋損傷形貌也可以觀察到， 鉗牙夾持部位對(duì)應(yīng)的螺紋損傷明顯較重。

4 結(jié)論與建議

（1） 油管接頭脫扣失效事故的主要原因是油管下井時(shí)現(xiàn)場端螺紋上扣不到位引起的。 而造成油管接頭現(xiàn)場端螺紋上扣不到位的原因可能與上扣時(shí)內(nèi)螺紋受到泥漿污染、 螺紋脫扣前存在輕微損傷、 上扣鉗牙夾持位置偏接箍上扣端等有關(guān)。

（2） 本次事故油管的幾何尺寸、 材料理化性能等常規(guī)項(xiàng)目檢測均符合訂貨標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，因此產(chǎn)品質(zhì)量不是造成事故的主要原因。

（3） 對(duì)于現(xiàn)場上扣扭矩合格、 而實(shí)際上扣位置未到位的原因應(yīng)開展相關(guān)研究， 并有針對(duì)性的提出改進(jìn)措施。

（4） 油田和生產(chǎn)廠等現(xiàn)場操作、 監(jiān)督、 管理及技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)， 提高對(duì)特殊螺紋接頭上扣特性的認(rèn)識(shí)， 并有必要開展特殊螺紋接頭上扣控制技術(shù)的相關(guān)研究。