某油管斷裂原因

張金偉, 王克棟, 黃清生, 楊 棟

(機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司, 上海 201518)

油氣田使用的油管服役條件十分惡劣，除了要承受液注力、摩擦力等復雜交變載荷的作用，還要承受內外部油、水、CO2、H2S、溶解氧和細菌等多種腐蝕介質的破壞，油管失效事故頻發，給油氣田的安全生產帶來很大困擾。

某油田S-142井自井口第73根油管在使用約700 d后發生斷裂，其載荷為20～21 t。該斷裂油管結構形式為管端加厚型，斷裂位于墩粗端，距管端頭螺紋約211 mm，斷裂部位的管外徑為74.9 mm，壁厚為5.7 mm，材料為N80Q鋼，油管內介質為油、氣和水，介質中含有CaCl2，CO2，H2S，礦化度(單位體積液體介質中所含的各種離子、分子和化合物的總量)為10 000 mg/L。為查明油管斷裂原因，筆者在該斷裂油管上取樣并進行一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

油管斷裂發生在距管端頭螺紋211 mm處，該段油管螺紋側略粗，斷裂部位實測外徑為74.9 mm。管內、外存在油污，外壁存在機械損傷，呈有規律排列的油管鉗夾持痕跡和凹坑。剖開油管后可見內壁表面存在腐蝕坑，斷裂面垂直于油管縱向，較平齊。油管沒有發生明顯變形，在斷裂面上同時可見平行斷面的環向裂紋和垂直斷面的二次裂紋(見圖1)。

圖1 斷裂油管宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂油管上取樣并進行化學成分分析，結果如表1所示。

表1 斷裂油管化學成分 %

在SY/T 6194—2003 《石油天然氣工業油氣井套管或油管用鋼管》表C.5中規定，第一組中的H，J，K和N鋼級所有油管中的硫、磷元素質量分數應不大于0.030%，其他化學元素含量未作規定，油管以能達到相應的力學性能為準。

1.3 斷口分析

1.3.1 宏觀形貌

油管主斷裂面垂直于油管縱向，為橫向斷裂。在斷裂面上同時存在著橫向裂紋和縱向裂紋，主斷裂面粗糙、有油污，清洗后可見人字形花樣，斷裂面的壁厚無明顯減薄，無宏觀塑性變形，無剪切唇。斷裂源呈多源特征，外壁裂紋源于機械損傷，內壁裂紋源于腐蝕坑(見圖2)。

圖2 斷面宏觀形貌

1.3.2 微觀形貌

根據油管斷裂的特點，取主斷裂面和縱向裂紋斷面進行微觀形貌分析。主斷裂面和縱向裂紋斷面微觀形貌基本相同，主要為氫脆準解理+韌窩+空洞+二次裂紋。主斷裂面較粗糙，其裂紋擴展區的微觀形貌在低倍下呈人字形花樣[1]，在高倍下為氫脆準解理+韌窩+二次裂紋；內壁表面可見腐蝕坑和坑底裂紋，裂紋尖端有剪切韌窩[2][見圖3a)，3b)]。縱向裂紋斷面的微觀形貌在低倍下呈放射狀，在高倍下為氫脆準解理+空洞+沿晶二次裂紋+少量韌窩；其裂紋擴展區的微觀形貌為韌窩+氫脆準解理+二次裂紋[見圖3c)，3d)]。

圖3 斷面微觀形貌

1.4 金相檢驗

對斷裂油管進行金相檢驗。斷口剖面處顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體，呈沿軸向分布的帶狀組織特征，非金屬夾雜物等級為A1.5，B0.5[見圖4a),4c)]。在外壁表面存在氫鼓泡，同時觀察氫鼓泡處產生的裂紋，裂紋擴展尖端呈臺階串接的特點[見圖4b)]。由斷口剖面微觀形貌可知，裂紋擴展區呈穿晶和沿晶的混合特征，內、外壁的腐蝕坑和機械損傷是裂紋源區，在裂紋中和裂紋周圍存在較多的非金屬夾雜物。在主斷面上可以觀察到已擴展較深的二次裂紋，二次裂紋和內、外壁裂紋的擴展形態相同[見圖4d)]。

圖4 斷裂油管微觀形貌

1.5 能譜分析

取油管內垢物和斷口表面附著物進行腐蝕產物的X射線能譜(EDS)分析。表2為EDS分析結果，結果表明腐蝕產物主要含有氧、鎂、鋁、硅、硫、氯、鉀、鈣、鐵等元素，其中硫元素含量較高。

表2 腐蝕產物化學元素EDS分析結果 %

1.6 硬度測試

在油管橫截面上劃分的4個象限區域內的外部、中部和內部分別進行硬度測試，同時還在油管外壁表面以及表面機械損傷部位進行硬度測試，結果如表3所示。

表3 油管硬度測試結果 HRC

硬度測試結果表明，油管沿厚度方向中心部位的硬度明顯高于內、外壁的；油管表面機械損傷部位的硬度明顯高于表面正常部位的。

2 綜合分析

斷裂油管的顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體，存在帶狀組織[3]和非金屬夾雜物，反映了該油管經過了淬火+回火，符合SY/T 6194—2003中對N80Q級油管熱處理的要求。顯微組織中觀察到氫鼓泡和二次裂紋[4-5],裂紋尖端呈氫致開裂特征。油管斷裂宏觀上呈脆性斷裂特征[6-7]，微觀上呈典型的氫致開裂特征。油管斷裂是濕H2S+CO2引起的硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)[8-9]。

SSCC在工程上是一種常見的破壞現象，其開裂的特點是陰極充氫導致氫脆裂紋。可發生SSCC的材料包括低碳鋼、低合金鋼、高強鋼、不銹鋼等，開裂傾向隨材料的強度升高而增加。在濕H2S介質中，材料抗SSCC能力受溫度、H2S濃度、介質pH值、應力大小[10-11]及分布狀態、材料化學成分和組織形態、金屬焊接質量和表面質量、熱處理狀態等多種因素的影響。

從介質因素方面來說，濕H2S是低合金鋼發生SSCC的敏感介質。該斷裂油管工作介質為油、氣和水，介質中含有CaCl2，CO2，H2S；EDS分析結果顯示，腐蝕產物中硫元素含量較高。由于水和CO2的存在，介質呈酸性，產生H+去極化腐蝕，而介質中H2S的存在阻止了腐蝕反應生成的H原子向H2轉變，使H原子向材料內部擴散，造成材料產生陰極充氫，形成氫鼓泡和氫致開裂。濕H2S引起的開裂包括SSCC、氫致開裂(HIC)、應力導向氫致開裂(SOHIC)及氫鼓泡(HB)，其破壞敏感度隨H2S濃度的增加而增加，在飽和濕H2S中達最大值。

從材料化學成分和顯微組織形態方面來說，鋼中影響H2S腐蝕的主要化學元素是錳和硫，錳元素易使設備在焊接過程中產生馬氏體和貝氏體，這些高強度、低韌性的顯微組織表現出較高硬度，這對設備抗SSCC極為不利；硫元素則在鋼中形成MnS，FeS等非金屬夾雜物，使局部顯微組織疏松，在濕H2S環境下易誘發HIC，SOHIC和HB。觀察斷裂油管的顯微組織發現，在裂紋中和裂紋的周圍存在較多的非金屬夾雜物，表明非金屬夾雜物對誘發濕H2S環境下的HIC或SOHIC有促進作用。針對斷裂油管中存在帶狀組織的問題，張旺峰等[12]的研究結果表明，材料組織中存在與施加應力方向平行的帶狀組織，可以起到阻礙裂紋擴展的作用，從而提高其SSCC抗力。

材料硬度對SSCC敏感性的影響很大，對于在濕H2S介質中使用的材料，其硬度應控制在22 HRC以下。斷裂油管整體硬度偏高，特別是表面機械損傷部位的硬度明顯高于周圍正常部位。機械損傷造成材料局部硬化和應力集中[13-14]，對裂紋的形成起促進作用，使該部位對應力腐蝕開裂更加敏感，加速了油管應力腐蝕裂紋的產生。

3 結論

油管斷裂是濕H2S環境下產生的SSCC。操作介質中存在H2S和CO2是油管產生SSCC的主要原因，油管表面工具和卡具引起的機械損傷造成材料局部硬化和應力集中以及顯微組織中存在非金屬夾雜物，這些都對裂紋的形成起到促進作用，同時加速了油管應力腐蝕裂紋的產生。