N80加厚油管過渡區(qū)斷裂原因分析

謝建雷，閆泓，李真，郭振坤

中國石油渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司（天津 300280）

近年來，隨著油氣井開采深度的不斷加深，對于加厚油管需求量也在不斷增加[1]。油管按照API Spec 5CT—2011標準分為平式油管、加厚油管和整體接頭油管[2]，其中加厚油管由于管端壁厚增加及螺紋牙型增大，其連接強度得到了明顯的提升。

大老李已經(jīng)五十多歲了，還從五十里外的西平老家來這里下井。他的背微駝，和我們常常見到的那種老實巴交的高個子男人一樣，整天不怎么言語。他的大女兒讀高中，兒子小學。大老李極疼他的孩子，他常常盯著一張皺巴巴的照片看，那是他們的全家福。他還買些紙筆書包的存著，說等到回家的時候給孩子帶回去。他說，現(xiàn)在農(nóng)村的孩子們除了讀書這條道再沒其他出路了?？磥硭菢O想把自己的孩子培養(yǎng)成大學生的。然而此刻，西山轟隆一聲，一縷灰煙過后，大老李兩腿一蹬，雙眼一閉，唉，都他媽的過去了。完蛋了，一切都完蛋了。

在某油田一口采油井，井深4 200 m，采用Ф 73.02 mm×5.51 mm N80加厚油管進行采油作業(yè)，在下油管的過程中，發(fā)現(xiàn)第327根加厚油管過渡區(qū)出現(xiàn)裂紋，隨后將整井油管全部起出更換。

1 斷口宏觀形貌分析

油管出現(xiàn)裂紋的位置靠近工廠端（圖1），斷口在加厚油管過渡區(qū)部位，處于加厚厚度開始減小的地方，裂紋位置距接箍端面50 mm左右。圖2為失效油管斷口圖，由圖2看到斷口裂紋沿圓周分布，周向裂紋占圓周長度的1/2。裂紋整體整齊，切開后能看到斷口比較平整，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，裂紋擴展線未發(fā)現(xiàn)明顯的凹凸不平。

2 斷裂原因失效分析

2.1 管體力學性能及化學成分分析

1）通過對該批油管鐓粗工藝的追溯，其鐓鍛過程為管端加熱、鐓粗[3]，之后正火處理僅是對管端部分。由于失效油管加厚部位較短，無法取得拉伸試樣[4]，而油管管體的力學性能鐓粗前后是不變的，故僅對油管管體力學性能及化學成分進行驗證。從事故油管管體上取樣，進行縱向拉伸性能及化學成分分析，采用WAW-1000C拉伸試驗機對管體進行拉伸性能測試，試驗結(jié)果見表1。結(jié)果表明，事故管管體的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足APISpec 5CT—2011的要求，性能合格。

圖2 失效油管斷口

對失效油管斷口位置進行電鏡掃描分析，以確認其斷裂形式[5]，如圖3、圖4所示。

為了進一步分析油管斷裂的主要原因，對啟裂點附近基體及夾渣物進行能譜分析，圖7為啟裂點附近基體的能譜分析圖，圖8為啟裂點附近夾渣物的能譜分析圖，表3為啟裂點能譜分析結(jié)果。

表1 事故油管管體拉伸性能試驗結(jié)果

表2 事故油管管體化學成分試驗結(jié)果

2.2 斷裂形式掃描電鏡分析

2）采用DV-4型直讀光譜儀對試樣材料進行化學成分分析，試驗結(jié)果見表2。結(jié)果表明，管體的化學成分符合APISpec5CT—2011的要求。

物質(zhì)提取了精華或使用后的殘剩物謂之渣。甘蔗榨出了糖分叫蔗渣，芝麻煉出了香油叫麻渣，熬過的中藥材叫藥渣，提取了豆?jié){的豆品叫豆腐渣，燃燒過了的煤叫爐灰渣，沒有燒透的叫煤渣，糕點面包吃剩的碎屑叫點心渣、面包渣，當然是殘剩物意義上的渣而非提取了精華的渣。土渣不叫土渣，叫渣土。此外，還有鋼渣、油渣兒以及沉渣、廢渣等等。

圖3 斷口啟裂點處X13

圖4 斷口啟裂點處X1400

通過四維度信息組合，得到最優(yōu)運行控制策略C。該控制策略主要是指在不同模式、不同時序、不同空間分布和多約束條件下對基礎設備進行參數(shù)的操作控制。以選取的含風光儲氣型的多級分布式電源/微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，其主要控制策略有：

2.3 管體部位和斷口部位金相對比

從失效油管管體和斷口位置分別切取金相試樣，經(jīng)預磨、拋光后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡下進行顯微組織分析，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示，管體的基體組織為珠光體和鐵素體，而斷口位置存在粗大的馬氏體組織，屬于非正常組織。

圖5 正常管體的基體金相組織

圖6 斷口位置的基體金相組織

結(jié)合斷裂油管宏觀分析、管體力學性能試驗、金相對比試驗及斷口電鏡掃描分析可以看出，斷口位置存在粗大的馬氏體組織，斷口平整部位存在大量的解理臺階，在啟裂源附近存在夾渣物，為明顯的脆性斷裂形貌。通過以上初步分析結(jié)果可知：

從圖3中可以看出，斷口有明顯的啟裂點和裂紋擴展區(qū)，在X13倍的放大倍數(shù)下，能看到冰糖狀的沿晶斷裂；從圖4可以看出，將斷口啟裂點在X1400的放大倍數(shù)下，微觀斷裂機理又表現(xiàn)出大量的淺韌窩狀并伴有少量的小解理臺階。由此可見：從微觀上看，局部斷裂機理是大量的淺而密的韌窩和小解理臺階，宏觀上分析斷裂形式為脆性斷裂。

2.4 啟裂點處掃描電鏡分析

管體的力學性能及化學成分試驗結(jié)果都符合API Spec5CT—2011的要求，說明油管加厚鐓粗之前是符合標準要求的。

該設計的優(yōu)越性是在子站服務器、主服務器和應用服務器等相關服務器配置好各類應用對應的數(shù)據(jù)模型的前提下，當岸基用戶或船舶工作站有應用請求時，可快速、高效地從分布式數(shù)據(jù)庫中準確提取數(shù)據(jù)，避免遍歷數(shù)據(jù)造成船舶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡擁堵、耗時等。

圖7 啟裂點附近基體的能譜分析

圖8 啟裂點附近夾渣物的能譜分析

從掃描電鏡分析可知，能譜分析結(jié)果顯示啟裂點附近基體成分以Fe為主。已找出加厚油管斷口的啟裂源，在啟裂源的附近發(fā)現(xiàn)了夾渣物，經(jīng)掃描電鏡成分分析發(fā)現(xiàn)夾渣物成分主要以C、O元素為主。由此分析油管斷裂原因是：油管鐓粗加熱過程中溫度控制出現(xiàn)問題，出現(xiàn)“過燒”和低熔點夾雜溶解，形成夾渣物殘留在加厚油管過渡區(qū)，產(chǎn)生脆性裂紋源。后期生產(chǎn)過程中經(jīng)過接箍上緊、靜水壓試驗將其缺陷擴大，加厚油管下井過程中再次受到拉伸載荷，使裂紋進一步擴展，發(fā)生斷裂。

表3 啟裂點能譜分析結(jié)果 /%

3 結(jié)論及建議

馬氏體組織具有較高的硬度和較差的韌性[5]，油管鐓粗過程中溫度控制不當，使加厚油管過渡區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織，降低了油管的韌性，使用過程中容易出現(xiàn)脆性斷裂。

1）油管管體性能及化學成分合格，說明油管加厚鐓粗之前是符合標準要求的。

2）斷裂形式宏觀上為脆斷，斷裂處存在原始脆性裂紋源。

從表4中可以看出，量表中3個維度和總量表的Cronbach'a 系數(shù)都大于0.70，說明具有良好的信度。

3）油管鐓粗過程中溫度控制不當，造成油管“過燒”，低熔點夾雜溶解，形成夾渣物殘留在加厚油管過渡區(qū)，產(chǎn)生脆性裂紋源，是造成油管斷裂的主要原因。

4）建議油管在鐓粗過程中嚴格控制溫度，使奧氏體組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和鐵素體，保證油管的強韌性要求。