石油套管失效分析.pdf

第2 0 卷第3 期 2 0 0 8 年3 月 钢铁研究学报 J o u r n a lo fI r o na n dS t e e lR e s e a r c h V 0 1 ．2 0 。N o ．3 M a r c h2 0 0 8 石油套管失效分析 刘智勇1 ，董超芳1 ，李晓刚1 ，谭宏强2 ，严建奇2 1 - 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．华北油田公司工程监督部，河北任丘0 6 2 5 5 0 摘要通过化学成分和金相分析、宏观和微观断E l 形貌观察、力学性能测试及相关的理论计算对断裂的N 8 0 1 石油套管进行失效分析，结果表明N 8 0 1 石油套管断裂是由于套管材质的组织韧性较差、化学成分分布不均和 冲击韧性过低等因素造成的。 关键词石油套管；断裂；失效分析 中图分类号T G l l l ．9文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 9 6 3 2 0 0 8 0 3 0 0 5 8 0 5 F a i l u r eA n a l y s i so fA P IO i lC a s i n g L I UZ h i y o n 9 1 ，D O N GC h a o - f a n 9 1 ，L IX i a o - g a n 9 1 ，T A NH o n g q i a n 2 ，Y A NJ i a n - q i 2 1 ．C o r r o s i o na n dP r o t e c t i o nC e n t e r ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．P t o ] e c tS u p e r v i s i o nD e p a r t m e n t ，O i lF i e l di nN o r t hC h i n a ，R e n q i u0 6 2 5 5 0 ，H e b e i ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ov i s u a le x a m i n a t i o n ，c h e m i c a la n a l y s i s ，m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n ，m e c h a n i c a li n s p e c t i o n ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ee x a m i n a t i o na n df a c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i so ft h ef a i l e dN S 0 1 o i lc a s i n g ，t h em a i n r e a s o nf o rt h ef a i l u r eo fp i p ei st h ec o m b i n a t i o no fb a dm e t a l l i cp h a s e ，n o n - h o m o g e n e o u sc h e m i c a lc o n s t i t u t i o na n d p o o ri m p a c td u c t i l i t y ． K e yw o r d s o i lc a s i n g ；f r a c t u r e ；f a i l u r ea n a l y s i s 油管开裂是油管失效的主要形式，常造成巨大 的经济损失口’2 ] 。笔者结合华北油田某油井N 8 0 1 石油套管的失效案例，探讨了油管开裂失效的普遍 规律和特殊现象，为预防同类事故的发生提供理论 和实践依据。 断裂套管为直径1 3 9 ．7m m 、壁厚7 ．7 2m m 、材 质3 7 M n 5 的N 8 0 1 石油套管。失效前，地面拉力 约2 5 0k N ，断裂后断口上部套管悬重6 0k N 。管内 设计压力为7 0M P a ；井斜 3 。。该套管是在进行压裂 处理时开裂并断裂，断裂时管内压力为3 0 ．1 2M P a 。 经磁定位测井判断油层套管于地下2 5 7m 处断裂， 断裂处温度为5 - - - 1 0 ℃。 1实验方法 为了了解失效N 8 0 1 石油套管的性能，确定 断裂失效原因和断裂机制，对失效套管进行断口宏 观和微观检测分析、化学成分分析、金相组织和夹杂 物分析、管体不同部位组织的微区成分分析、管道材 质的力学性能 包括拉伸性能、冲击性能、断裂韧性 和硬度 测试，并结合套管实际服役环境进行相应的 理论分析，以判定N 8 0 1 石油套管的断裂原因。 2实验结果及分析讨论 2 ．1 宏观观察 失效N 8 0 1 石油套管的断口形貌如图1 所示。 可见，部分断口呈“人”字形、其余断口走向基本与管 子轴向垂直，断口没有出现轴向宏观裂纹、断口表面 比较平整，断口处管径无明显变形，管壁没有明显减 薄，可以肯定该套管属于脆性断裂。但由于断裂面 上多处被机械划擦损毁，尤其是“人”字形突出处被破 坏，致使对裂纹源和断裂方向的判断受到一定影响。 套管断口缘上的二次裂纹均指向远离“人”字形 突起的方向，由此可以判断裂纹源应该在“人”字形 突起的尖端处或在残留井下的另外一段套管上。 作者简介刘智勇 1 9 7 8 一 ，男，博士生}E - m a i l S 2 0 0 3 0 4 8 9 1 6 3 ．c o r n ；修订日期2 0 0 7 1 0 1 1 万方数据 第3 期刘智勇等石油套管失效分析 图1N 8 0 1 石油套管的断口形貌 F i g ．1 F r a c t u r es u r f a c eo fN 8 0 1 p i p e 2 ．2 金相分析 观察断口附近和远离断口的管壁材料的金相组 织可见，管壁横断面组织与纵向组织相同，没有明 显的轧制织构特征。组织为网状铁素体 珠光体 图2 ，这种组织韧性较差[ 3 “] ，晶粒较大并均匀，晶 粒度平均为4 ～5 级，部分大晶粒达到2 ～3 级。晶 粒异常长大将导致材料韧性下降，使其脆性增加脚。 从失效套管断口的二次裂纹扩展模式[ 图2 b ] 可 见，裂纹扩展呈穿晶断裂，这种裂纹扩展模式通常都 是脆性断裂裂纹。 2 ．3 断口形貌 用S E M 观察失效套管断面的微观形貌可见，断 口表面微观形貌为典型脆性断口，断口上同一晶粒的 图2 管壁纵截面金相组织 a 和裂纹形貌 b F i g ．2O p t i c a lm i c r o g r a p h a Ja n dr a c k i n gm o d e b Jo ff a i l e dt u b e 断裂面比较平整，为片状珠光体 图3 。这种断口 表明断口处材质脆性很高，所以套管失效断裂是材 料韧性过低所致。 对失效套管的非断裂区按A P I5 C T 标准 第8 版 进行全壁厚拉伸实验，观察到断口中存在大面积 脆性区 图4 。脆性区中有些晶粒内部为脆性解理 断裂，晶界附近有韧窝形貌。说明晶粒内部脆性很 高。结合金相分析可知，晶粒内部的珠光体组织脆 性很高，而晶界上的铁素体组织的韧性相对较好。 分别对脆性区和韧窝区进行E D S 分析可知，脆性区 晶粒内部 的硫和磷含量明显高于韧性区 晶界 上 ，说明晶粒内部硫、磷富集是导致脆性较高的原 因之一。 2 ．4 化学成分分析 分别对失效套管断口附近和远离断口处的管壁 材料进行了化学成分 质量分数 分析并与A P I S p e c5 C T 标准[ 6 3 规定进行对比，结果如表1 所示。 可见，失效套管的硫、磷平均含量均低于A P IS p e c 5 C T 标准要求。通常以M n ／C 比来控制普通套管 的强度和韧性，锰含量的上限可提高到硼 M n 1 ．5o ／／，M n ／C 4 ～5 ‘引。失效套管的M n ／C - - - - 4 ．1 4 。 图3 断口表面S E M 微观形貌 F i g ．3S E Mp h o t o g r a p ho ff r a c t u r es u r f a c eo ff a i l e dp i p e 万方数据 钢铁研究学报第2 0 卷 图4 失效套管拉伸试样的断口形貌 F i g ．4 S E Mp h o t o g r a p ho ft e s ts p e c i m e nf o rf a i l e dp i p e 对失效套管断口表面不同部位的E D S 分析发 现，靠近管壁内侧 图5 中l 、2 的硫含量明显高于管 壁外侧 图5 中3 、4 ，而且也高于A P IS p e c5 C T 标 准的要求 表2 。套管内壁是钢管原坯钻孔前的芯 部位置，因硫等有害元素易在钢坯芯部偏析，可以推 断，在生产过程中，失效套管原钢坯芯部存在成分偏 析。由于高硫、磷含量部分脆性较大，这就导致了套 管材质存在局部劣化现象，而这种性能劣化现象在 质量检测时很难检测到，但却是导致套管发生失效 的内在原因之一。在A P IS p e c5 C T 标准中，只规定 了平均硫、磷含量的范围，没有限制硫、磷的偏析和 偏聚程度，也未规定相应的检测手段。 表1 失效套管不同部位的化学成分 T a b l e1 C o m p o s i t i o ni nd i f f e r e n tp a r to ff a i l e dp i p e ％ 2 ．5 力学性能分析 为了全面了解失效套管材质的力学性能，根据 A P IS p e c5 C T 标准的要求，进行了拉伸实验和1 ／z 尺寸纵向夏比冲击实验，并根据断裂韧性 K ．c 测试 图5 微区成分分析取样部位 F i g ．5 P o s i t i o n so fc o m p o s i t i o na n a l y s i sb yE D S 结果估算K ∽结果列予表3 。可见，失效套管的强 制性力学性能指标均符合A P IS p e c5 C T 标准的要 求，但3 块试样的冲击功均低于A P IS p e c5 C T 标准 的要求，而且其中1 块试样的冲击功低于A P IS p e c 5 C T 标准最低要求的2 ／3 。过低的冲击韧性不能保 证套管具有足够的韧性抵抗运输、吊装、安装和服役 过程中的冲击载荷，极易在冲击作用下产生微裂纹， 从而导致在管内升压过程中，发生断裂。 3 理论计算及分析讨论 3 ．1 计算 由服役条件可知，套管管壁只受轴向拉力 重力 拉力 和管内外压差产生的周向拉应力的作用。所 以，套管断口处管壁所受的轴向拉力约1 9 0k N 。按 套管公称直径 1 3 9 ．7m m 和公称壁厚 7 ．7 2r a m 计 算，轴向拉力产生的应力为o 1 - - - - - 7 8M P a ，由内压力产 表2 微区E D S 分析结果 T a b l e2E D Sa n a l y s i so fm i c r o r e g i o nc o m p o s i t i o n％ 万方数据 第3 期刘智勇等石油套管失效分析 表3 套管的力学性能 T a b l e3R e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t s 生的管壁内周向应力为0 “ 2 2 7 3M P a 。 由工程力学可知 0 “ n a l 0 “ 2 ／Z c r 2 - - 0 “ 1 c o s 2 a ／2 r 1 2 s i n 2 a 1 n 2 0 2 一以 s i n 2 a ／2 一r 1 2 c o s 2 a 2 式中，口 兀／4 。 对式 1 和式 2 两边求导，并令导数 0 ，可以求 得最大剪切应力r 眦一r 1 2 口 晚一所 ／2 9 7 ．5M P a 。 计算可知，正常情况下，管壁中的应力明显低于 测得的管壁材料的屈服强度，而且由于最大剪切应 力T m a x 远小于主应力0 - z 和材料的屈服强度，所以可 以肯定主应力在失效套管断裂过程中起主要作用。 因此，可以用压力容器安全评估方法计算失效套管 的断裂韧性。由断裂力学可知，对于管壁较厚的压 力容器，直径为2 口的半圆形表面裂纹 裂纹面平行 于轴向 ，断裂韧性和材料的缺陷尺寸近似满足 平 面应变状态 下式[ 8 ] K i 一兀a 0 ．Z z ／[ 1 一 c r 2 ／R 。 2 ／2 1 3 式中，a 为裂纹的1 ／2 尺寸，m m ；0 - 为垂直裂纹的拉 应力，即本文中c r 2 ，M P a ；R 。为屈服强度，本实验中， R 。 R 田．5 平均值 ，M P a 。 因为失效N 8 0 1 套管的主应力方向为周向，则 平行于管道轴向的裂纹源导致的断裂可以用式 3 计算。 K 配可以用“破裂前渗漏准则”来判断。确定口≥艿 壁厚 为套管破裂的临界尺寸a 。 7 ．7 2m l i l ，用式 3 即可近似计算得到K 配- - - - 4 4 ．6M P a I T I “2 。 由此可见，K 虻的估计值与条件断裂强度因子 K 。差异不大。 从以上计算还可看出，对于失效N 8 0 1 套管， 当口≈艿时，仅在3 0M P a 压应力条件下就可使裂纹扩 展，最终在轴向作用力的协同作用下致使套管断裂。 在井下3 0 0I T I 处 温度为5 ～1 0 ℃ ，K I c 1 0 ℃ K l c 室温 。所以，井下失效套管的实际断裂韧性小于 K 。 室温 。因此，裂纹源尺寸一般小于1 5 ．5m m ， 甚至仅1 ～2m m 时就可导致套管发生开裂。 3 ．2 分析讨论 通常，石油套管断裂是因地下水和石油介质中 的腐蚀性离子 如C O 。和C l 一等 或严重的腐蚀减薄 及穿孔导致的[ 9 1 。而该失效套管尚未服役，断裂 发生在安装和施压过程中。因此，可以认为断裂与 环境介质因素无关。 由失效分析得知，虽然管壁材质的平均化学成 分和拉伸性能达到了A P IS p e c5 C T 标准的要求，但 管壁上硫元素存在明显的宏观和微观分布不均匀 性，管壁内侧的硫含量高于A P IS p e c5 C T 标准的要 求，这导致管壁内侧和晶粒内部的韧性大大下降，而 且管壁处晶粒比较粗大，晶粒组织为少量网状铁素 体 珠光体，这种组织韧性很差，致使耐冲击性能和 止裂性能大大降低，所以失效套管抗动载荷冲击的 性能很差，故而套管在生产、运输、吊装和安装等过 程中，受冲撞时易损伤而引发裂纹源。结合对裂纹 源判断的分析可以推断，该失效套管遭受冲击而引 发裂纹源形核的可能性很大。虽然因N 8 0 1 套管 厚度不够导致的条件应力强度因子K 。不能作为 K 配的有效判据，但根据对K t c 的计算结果可知，该失 效套管的断裂韧性值较低，也就是说该套管对管壁 缺陷的容限能力很小，在服役条件下，较小的裂纹源 就能导致开裂。 4结论 1 N 8 0 1 石油套管虽然平均化学成分和拉伸 性能均达到A P IS p e c5 C T 第8 版 标准的要求，但 有害元素分布不均匀，局部有害元素含量过高，致使 材料组织性能局部劣化。 2 N S 0 1 石油套管管壁晶粒度较大且晶粒有 异常长大现象，组织为网状铁素体 珠光体。这2 种 万方数据 6 2 钢铁研究学报第2 0 卷 情况都可使材料韧性下降，脆性增加。 3 N 8 0 1 石油套管管壁材料的低温冲击韧性 很低，抗冲击载荷性能差，所以冲击载荷可能是导致 套管开裂并断裂的主要原因。 参考文献 [ 1 3 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 冉箭声，张兆彦，史庆建，等．油管常见事故原因分析及防治 对策[ J ] ．钻采工艺，2 0 0 4 ，2 7 1 7 3 ． 李鹤林．油井管发展动向及若干热点问题 上 [ J ] ．钢管， 2 0 0 5 ，3 4 6 1 1 ． 任海鹏，马洪悌，刘春明，等．非调质油井管钢的开发应用 [ J ] ．钢铁，2 0 0 2 ，3 7 1 1 6 1 ． 耿文范．非调质钢的发展现状[ J ] ．钢铁研究学报，1 9 9 5 ，7 1 7 4 ． [ 5 ] 高惠临，辛希贤．论管线钢韧性的控制因素[ J ] ．焊管，1 9 9 5 ，1 8 5 7 ． [ 6 ] A P IS p e c5 C T - 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