TS-90 連續(xù)油管斷裂失效分析

1 事故概況

目前， 連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用處于上升態(tài)勢(shì)， 具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?連續(xù)油管廣泛用于氣舉作業(yè)， 可以最大限度提升采油量

。 但是，受井下服役環(huán)境的影響， 腐蝕性介質(zhì)常造成連續(xù)油管失效， 其中應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是最嚴(yán)重的失效，短期內(nèi)即可造成斷裂。 因此， 研究連續(xù)油管的腐蝕失效， 盡早采取有效的預(yù)防措施， 對(duì)推動(dòng)氣舉采油作業(yè)具有重大意義。

本文在北京市某出租車公司307位司機(jī)中，不分析司機(jī)的駕駛行為與油耗情況 ，隨機(jī)挑選200位駕駛員作為樣本集，以單輛出租車每50 km為一段樣本行程，計(jì)算不同參數(shù)值的分布情況，綜合專家意見(jiàn)，確立隸屬度函數(shù)的相關(guān)閾值. 從剩余107位司機(jī)中隨機(jī)選擇駕駛員作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行評(píng)價(jià).

本研究的失效連續(xù)油管在某井氣舉作業(yè)上提至2 800 m 處時(shí)出現(xiàn)漏點(diǎn)， 上提過(guò)程中斷裂數(shù)節(jié)， 剩余2 400 m 斷在井內(nèi)， 井內(nèi)物質(zhì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在硫化物。 失效連續(xù)油管鋼級(jí)為T(mén)S-90 （CT90 鋼級(jí)）， 規(guī)格為Φ31.8 mm×3.2 mm，技術(shù)條件為API SPEC 5ST—2010 《連續(xù)油管規(guī)范》。

2 失效連續(xù)油管宏觀分析

失效連續(xù)油管如圖1 所示， 整個(gè)油管已腐蝕呈黃褐色。 失效連續(xù)油管開(kāi)裂部位宏觀可見(jiàn)， 沿連續(xù)油管周向存在2 處臺(tái)階狀裂紋。 裂口最大區(qū)域位于連續(xù)油管彎曲外側(cè)區(qū)域， 貫穿整個(gè)管壁，裂紋止于連續(xù)油管彎曲內(nèi)側(cè)區(qū)域， 整個(gè)裂紋區(qū)域約占連續(xù)油管3/4 周長(zhǎng)。

5.2 推廣秸稈氣化技術(shù)，有利于秸稈資源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)民每年直接燃燒秸稈占全部秸稈總量的64%，大量的秸稈直接燃燒，不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也導(dǎo)致秸稈養(yǎng)畜、秸稈然掃后，還產(chǎn)生大量的co2氣體和煙塵，造成空氣污染，而秸稈氣化技術(shù)可以有效解決這些問(wèn)題。同時(shí)秸稈燃?xì)獗葌鹘y(tǒng)的直接燃燒熱效率提高近一倍，可明顯減小秸稈和森林資源的消耗，對(duì)退耕還林、天然林保護(hù)工程、控制水土流失，起到積極地促進(jìn)作用。

3 試驗(yàn)方法和結(jié)果

3.1 尺寸測(cè)量

對(duì)失效連續(xù)油管管體壁厚、 外徑進(jìn)行測(cè)量， 結(jié)果見(jiàn)表1。 測(cè)量結(jié)果表明， 失效連續(xù)油管的管體壁厚、 外徑檢測(cè)結(jié)果符合API SPEC 5ST—2010 標(biāo)準(zhǔn)要求 （壁厚3.0～3.5 mm， 外徑31.55～32.05 mm）。

3.2 磁粉檢測(cè)

(2)嵐弟,你不以為我殘暴么?打狼不能用打狗的方法的,你看,這位婦人為什么病了?從她底囈語(yǔ)里可以知道她病底根由。

3.3 化學(xué)成分分析

在失效連續(xù)油管的管體上取樣， 使用直讀光譜儀， 依據(jù)ASTM A751—2020

標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析， 結(jié)果見(jiàn)表2。 結(jié)果表明， 失效連續(xù)油管管體化學(xué)成分符合API SPEC 5ST—2010 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 顯微硬度試驗(yàn)

將多企業(yè)離散態(tài)的多品種、小批量的人才需求，按照所需人才的職業(yè)進(jìn)行聚類，然后根據(jù)具體行業(yè)進(jìn)行整合，進(jìn)而形成產(chǎn)業(yè)集群的集約化人才需求。

3.5 金相分析

在失效連續(xù)油管裂紋處取A、 B 金相試樣， 取樣位置如圖5 所示。 使用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行金相微觀特征分析。 結(jié)果顯示， 裂紋起源于管體外表面， 裂紋萌生于腐蝕坑底， 且主裂紋擴(kuò)展區(qū)存在大量“樹(shù)枝狀” 次生裂紋， 裂紋尖端曲折擴(kuò)展， 呈局部沿晶形貌

， 如圖6、 圖7 所示。

在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)中，農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)是提高水利用效率的重要措施，其中包括科學(xué)的灌溉施肥和耕作以及合適的農(nóng)作物品種等措施，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)的目標(biāo)。相對(duì)來(lái)說(shuō)農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)簡(jiǎn)單易行，而且投資少見(jiàn)效快。

3.6 連續(xù)油管失效部位微觀特征分析

（1） 該失效連續(xù)油管表面布滿臺(tái)階狀橫向裂紋， 裂紋沿油管周向擴(kuò)展。 作業(yè)時(shí)主要承受反復(fù)拉應(yīng)力、 摩擦力， 斷口斷面與油管軸線（即受力方向） 垂直， 且失效連續(xù)油管開(kāi)裂部位均位于彎曲外側(cè)， 由此可知斷裂部位承受拉伸載荷較高。

在失效連續(xù)油管管體、 焊縫上取試樣， 使用激光共聚焦顯微鏡， 依據(jù)ASTM E3-11 (2017)

、ASTM E45-18a

、 ASTM E112-13

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管體和焊縫進(jìn)行金相分析， 結(jié)果分別見(jiàn)表4、 表5 和圖4。

3.6.2 斷口表面掃描分析

在失效連續(xù)油管上取一段管環(huán)試樣， 進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。 因試樣尺寸限制， 采用HV

維氏硬度代替洛氏硬度試驗(yàn)。 將試樣兩端橫截面磨平后， 使用維氏硬度計(jì)， 依據(jù)ASTM E384—2017

標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)位置如圖3所示， 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。 從表3 可以看出， 失效連續(xù)油管硬度最大值為239HV

， 換算成洛氏硬度值為20.3HRC。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 失效連續(xù)油管的硬度值符合API SPEC 5ST—2010 標(biāo)準(zhǔn)要求 （HRC≤22）。

按照壁厚方向?qū)α鸭y進(jìn)行不同壁厚深度的元素分析。 為了表征裂紋內(nèi)各元素含量隨壁厚方向的分布情況， 從連續(xù)油管外壁到內(nèi)壁方向（裂紋源區(qū)→裂紋尖端） 共選擇4 個(gè)不同深度的位置進(jìn)行能譜分析， 每個(gè)部位的具體位置及分析結(jié)果見(jiàn)表7。 從表7 可以看出， S 元素從裂紋源區(qū)到裂紋尖端部位始終存在。 圖10 為裂紋的總體形貌，可以看出該裂紋呈“樹(shù)枝” 狀從連續(xù)油管外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。

3.6.3 壁厚方向裂紋掃描電鏡及能譜分析

依據(jù)NB/T 47013.5—2015 標(biāo)準(zhǔn)， 使用磁粉探傷儀對(duì)送檢失效連續(xù)油管進(jìn)行磁粉檢測(cè)。 檢測(cè)結(jié)果如圖2 所示， 可以看出， 失效連續(xù)油管整管均布滿臺(tái)階狀橫向裂紋， 且裂紋均位于管體彎曲段外側(cè)表面。

將失效連續(xù)油管裂紋部分?jǐn)嗫诮?jīng)超聲波清洗后， 使用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行顯微觀察，如圖8 所示。 放大觀察斷口靠近管體外表面部位， 斷口外表面附近可見(jiàn)解理脆性形貌

。 斷口存在大量的腐蝕產(chǎn)物， 使用能譜分析儀分別對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析， 腐蝕產(chǎn)物形貌及分析譜圖如圖9 所示， 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果見(jiàn)表6。 由能譜分析結(jié)果可知， 腐蝕產(chǎn)物主要組成元素為Fe、 C、 O、 S 等。

4 綜合分析

失效連續(xù)油管管體外徑、 壁厚、 化學(xué)成分、顯微硬度、 晶粒度符合API SPEC 5ST—2010 標(biāo)準(zhǔn)要求， 其管體金相組織為鐵素體+珠光體， 未見(jiàn)異常。 對(duì)失效連續(xù)油管的裂紋部位進(jìn)行檢測(cè)， 該裂紋具有以下特征：

3.6.1 裂紋金相分析

（2） 原始裂紋斷口表面大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，且從裂紋源區(qū)到裂紋尖端部位， 始終存在少量導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的S 元素。

（3） 原始裂紋斷口呈明顯的多源臺(tái)階狀特征， 裂紋擴(kuò)展的弧形前沿線亦明顯可見(jiàn)。

濾波作為相位解纏的前步，其效果好壞直接影響相位解纏的成敗.在最小二乘相位解纏中，噪聲會(huì)引起誤差的空間傳播，導(dǎo)致解纏出來(lái)的相位誤差太大；在N步相移法解纏中，噪聲將導(dǎo)致解纏相位出現(xiàn)嚴(yán)重的“拉絲”現(xiàn)象；在質(zhì)量圖導(dǎo)引算法解包中，噪聲會(huì)造成相位突變，在解纏相位中出現(xiàn)“黑點(diǎn)”等.因此，提高濾波的有效性和相位計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)可靠性是相位信息提取的難點(diǎn)和重點(diǎn)[18,19].

（4） 原始裂紋萌生于腐蝕坑底， 裂紋尖端呈局部沿晶脆性斷裂（圖6 （c）、 圖7 （c））， 同時(shí)分布大量樹(shù)枝狀次生裂紋， 且斷口外表面附近呈解理形貌（圖8 （b））。 這些均符合應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的基本特征， 即斷裂前沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形，大多數(shù)為脆性斷口， 即解理、 準(zhǔn)解理或沿晶

。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是金屬構(gòu)件在一定的拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下的一種失效形式， 且某些金屬只對(duì)某些腐蝕介質(zhì)敏感， 常在應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度而介質(zhì)腐蝕又輕微情況下發(fā)生。 因此， 該失效連續(xù)油管斷裂根本原因是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂， 且起裂于連續(xù)油管管體外表面， 連續(xù)油管在外界腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下， 管體外表面萌生應(yīng)力腐蝕裂紋， 裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致管體斷裂失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)失效連續(xù)油管管體外徑、 壁厚、 化學(xué)成分、 顯微硬度、 晶粒度和組織進(jìn)行分析， 未見(jiàn)異常。 進(jìn)而對(duì)失效連續(xù)油管的裂紋部位進(jìn)行檢測(cè)和分析， 結(jié)果表明導(dǎo)致該連續(xù)油管斷裂失效的根本原因是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 連續(xù)油管在井下作業(yè)時(shí)， 受到腐蝕因素和應(yīng)力載荷的共同作用， 管體外表面萌生應(yīng)力腐蝕裂紋， 裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致管體斷裂失效。

[1] 秦川. 連續(xù)油管在含硫介質(zhì)中耐腐蝕評(píng)價(jià)[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2014：1-4.

[2] 賀會(huì)群. 連續(xù)油管技術(shù)與裝備發(fā)展綜述[J]. 石油機(jī)械，2016，34（1）：1-5.

[3] American Society of Testing Materials. Standard test methods and practices for chemical analysis of steel products: ASTM A 370—2020[S]. [S.l.]：ASTM，2020.

[4] American Society of Testing Materials.Standard test method for knoop and vickers hardness of materials：ASTM E384—2017[S].[S.l.]：ASTM，2017.

[5] American Society of Testing Materials. Standard guide for preparation of metallographic specimen：ASTM E3—11 (2017) [S]. [S.l.]：ASTM，2017.

[6] American Society of Testing Materials. Standard test methods for rockwell hardness of metallic materials：ASTM E45—18a[S]. [S.l.]：ASTM，2018.

[7] American Society of Testing Materials.Standard test methods for determining average grain size：ASTM E112—13[S].[S.l.]：ASTM，2013.

[8] 鐘群鵬，趙子華. 斷口學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2005：178-185.

[9] 孫熒，于慶波.低碳鋼的解理斷裂機(jī)理及微觀形貌分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（4）：18-22.

[10] 李鶴林. 石油管工程學(xué)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2020：334-336.