高含硫井放空短节爆管原因分析

李循迹，王宏军，陈东风，王福善，何新兴，常泽亮，蔡 锐

（1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065） ＊

高含硫井放空短节爆管原因分析

李循迹1，王宏军1，陈东风1，王福善1，何新兴1，常泽亮1，蔡 锐2

（1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065）＊

对某高含硫井放空短节爆管原因进行了调查研究，分析了短节爆管形貌，对爆管短节材质、现场类似短节材质和库存备料材质等进行了试验。通过调查研究和试验对比分析，认为爆管是高含H2S环境下管材的氢致开裂，材料用错和硬度超标是爆管主要原因。

高含硫井；放空短节；爆管；选材

2011－08－29，某气田第一处理厂主控室显示某井H2S含量检测超高报警，同时ESD系统联锁启动远程关井，启动站外集气支线（单井）刺漏应急预案。值班巡井工佩戴正压呼吸器到井场查看，发现井口一级节流后安全阀放空管线泄压短节发生爆管，管线撕裂长度约22cm。

1 初步分析

放空短节爆管事件发生后，使用单位对事件原因进行了初步分析，认为主要原因是爆管短节为盲肠段，短节尺寸33.7mm×5.6mm，端部阀门质量18.6kg，悬空无支撑，拉力过大，导致短节破坏性撕裂。

对此，塔里木油田分公司组织相关专家进行了现场调研和讨论分析，从放空短节爆管形貌和设计、采购、安装、运行等环节的资料、数据、记录情况看，认为支撑问题不是爆管的主要原因，主要原因有2点：①放空短节管材本身产品质量不合格；②放空短节用材错误。因此，有待实验室化验验证，经专业部门检测分析后，最终确认爆管事件原因。

随后委托某专业部门进行取样及化验分析，共取样3处：一处为现场发生爆裂的失效管样，如图1所示；一处为该井现场未发生失效的管样2根；一处为库存尚未使用的同规格的管材抽取4根，各裁1m长管样。

图1 现场失效管样

2 失效管样形貌

2.1 宏观形貌

将失效管样两端的焊接部位锯除后，管样自然形成了5片。对试样的内、外壁及断口进行了宏观形貌观察，如图2～3所示。结果表明：管样外壁基本无腐蚀，而内壁存在轻微的均匀腐蚀，并可观察到腐蚀产物；管样属纵向开裂，断口平整，无塑性变形；断口基本独立形成，多处呈阶梯状。断口属多源起裂，且基本源于内表面。

图2 失效管样内壁宏观形貌

图3 失效管样断口宏观形貌

2.2 断口微观形貌

采用扫描电镜对失效管样断口进行微观形貌观察。结果表明：断口呈明显的沿晶断裂形貌，局部可观察到放射线花样或鸡爪状纹路，如图4所示。

图4 断口沿晶断裂形貌（酸洗后）

2.3 内壁微观形貌

对失效管样内壁进行微观形貌观察发现：管样内壁存在微裂纹，局部可观察到明显的沿晶裂纹，如图5～6所示。

图5 失效管样内壁裂纹

图6 失效管样内壁沿晶微裂纹

3 材质和腐蚀产物分析

3.1 化学成分

依据GB／T 4336—2002标准，采用ARL 4460型直读光谱仪，分别对失效管样、未失效管样、库存管样进行化学成分分析，结果如表1所示。分析结果表明：失效管样、未失效管样的C、P、S三种元素含量不符合GB／T 9711.3—2005标准对L245NCS材质化学成分的要求，库房管样的化学成分符合GB／T 9711.3—2005标准对L245NCS材质化学成分的要求。

表1 化学成分分析结果wB%

3.2 金相组织

依据GB／T 13298—91、GB／T 6394—2002、GB／T 10561—2005分别对失效管样、未失效管样和库存管样进行金相组织、晶粒度及非金属夹杂物检验，检测结果如表2及图7～9所示。分析结果表明，失效管样和未失效管样的晶粒明显粗于库存管样。

表2 金相组织分析结果

图7 失效管样金相组织

图8 未失效管样金相组织

图9 库存管样金相组织

3.3 拉伸性能

依据标准GB／T 228—2002，采用UH－F500KNI型拉伸试验机，对库存管样进行拉伸性能测试。测试结果表明，试样的拉伸性能符合GB／T 9711.3—2005标准要求。

3.4 腐蚀产物分析

采用EDS对失效管样内壁腐蚀产物进行元素分析，结果如图12所示。采用XRD对失效管样内壁腐蚀产物进行物相分析，结果如图13所示。分析结果表明，失效管样内壁的腐蚀产物主要为Fe7S8。

图10 内壁腐蚀产物EDS图谱

图11 内壁腐蚀产物XRD图谱

3.5 硬度测试

依据GB／T 4340选择8个测试点分别对失效管样、未失效管样和库存管样进行维氏硬度测试，测试结果如表3所示。分析结果表明：失效管样和未失效管样的维氏硬度均远大于库存管样的硬度值，且不满足设计要求的硬度检测值标准。库存管样的维氏硬度值满足设计要求的硬度检测值 标准。

表3 硬度测试结果

4 爆管原因分析［1－4］

4.1 爆管特征

1） 管样为纵向开裂，断口平整，无塑性变形，各个断口相互独立，多处呈阶梯状，属多源起裂，且基本起源于内表面。

2） 断口呈明显的沿晶断裂形貌，局部可观察到放射线花样或鸡爪状纹路。

3） 管样内壁及内表面存在多处裂纹，主裂纹呈台阶状，主裂纹旁有细小二次裂纹，裂纹主要呈沿晶特征。

4） 管样外壁基本无腐蚀，而内壁存在轻微的均匀腐蚀，并可观察到腐蚀产物，腐蚀产物主要为Fe7S8。

4.2 爆管失效机理

该井爆管管段输送的是未经净化的含H2S的湿天然气，且H2S含量高达7 100mg／m3。非酸性环境下用的碳钢管材在湿H2S环境中容易发生氢致开裂，形成直线状裂纹、阶梯状裂纹等。H2S溶于水中后会发生电离，并与钢材作用发生电化学反应。HS－和S2－极易吸附在铁的表面，从而阻止阴极去极化作用产生的原子氢结合为分子氢，导致大量的原子氢进入金属基体，原子氢总是向高应力区聚集，降低了晶格结合强度和金属的塑性而脆化。H－和S2－除可使钢中氢浓度增加外，还可与铁原子牢固键合，使金属原子间结合减弱，从而促进Fe的阳极溶解速度。对于低强度材料，原子态氢会在材料内的各种缺陷如第二相、晶界、空穴等处聚合成分子氢；氢的不断复合和增加，致使缺陷处形成压力很高的氢气区；高压使材料产生阶梯裂纹或分层，随着裂纹的扩展及贯穿，导致发生断裂。

4.3 材质环境适用性

对失效管样和未失效管样的材质分析试验结果表明：失效管样的化学成分不符合GB／T 9711.3— 2005标准要求，检测硬度值约240HV10，该材质钢管无法满足设计和现场使用环境要求。

4.4 爆管与悬空阀门的关系

爆管管段设计压力为25MPa，实际使用压力为17.9MPa，规格33.7mm×5.6mm，总长25cm；管段一侧与18.6kg的阀门连接，处于悬空无支撑状态。经计算，在17.9MPa内压作用下，管段的环向应力为53.9MPa，轴向应力为27.0MPa；悬空阀门作用在管段上的最大正应力约14MPa，最大切应力约1.5MPa，悬空阀门的作用可忽略。

5 结论

1） 爆管的类型为高含H2S环境下管材的氢致开裂。爆管原因是管材的氢致开裂造成管段内部形成大量裂纹，致使管段承压、承重能力大幅降低而导致爆裂。

2） 爆管短节的材质非L245NCS，材料用错，无法满足现场使用环境要求。

3） 爆管短节的检测硬度值超过设计要求，原因是现场热处理不合格，或用错材料本身硬度值超标。

4） 建议对类似高含硫井放空短节进行现场抽查，检测硬度和化学成分（打光谱），对发现材料用错、硬度超标的，及时进行整改，确保生产安全。

［1］ 李 轩，刘道新，徐子鹏，等.形变与残余应力对管线钢氢致开裂行为的影响［J］.石油矿场机械，2010，39（4）：77－82.

［2］ 张 瑟，张国正，张春婉，等.双台肩钻杆接头开裂失效分析［J］.石油矿场机械，2010，39（1）：71－77.

［3］ 赵雪会，胡志兵，白真权，等.不锈钢在含氢介质条件下的脆性变化分析［J］.石油矿场机械，2009，38（8）：41－46.

［4］ 刘 利，刘道新，鲜 宁，等.取样方法对管线钢应力腐蚀开裂行为影响的研究［J］.石油矿场机械，2008，37（1）：51－55.

Analyses of Vent Short Piping Burst in High Sulfur Content Well

LI Xun－ji1，WANG Hong－jun1，CHEN Dong－feng1，WANG Fu－shan1，HE Xin－xing1，CHANG Ze－liang1，CAI Rui2
（1.Petrochina Tarim Oilfield Company，Korla841000，China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an710065，China）

The short section of pipe explosion’s causes of high sulfur content well was investigated.The burst short section of piping’s appearance was analyzed，and the burst short section of piping’s material，test material of the similar short section and the short section on storeroom were tested.Through the investigation and test comparison and analysis，it was believed that the high hydrogen sulfide environment cause pipe’s hydrogen induced cracking.The material errors and excessive weld hardness is the main reason.

high sulfur content well；vent short piping；pipe burst；material selection

1001－3482（2012）07－0070－04

TE931.2

A

2012－01－12

李循迹（1961－），男，山东文登人，教授级高级工程师，硕士，主要从事石油机械装备管理工作，E－mail：lixunji＿cn＠sina.com.cn。