套管接箍应力腐蚀开裂分析及预防

杨宏利，武磊

西安三维应力工程技术有限公司质量管理室(陕西西安710061)

套管接箍应力腐蚀开裂分析及预防

杨宏利，武磊

西安三维应力工程技术有限公司质量管理室(陕西西安710061)

以某套管接箍纵向开裂失效为例，分析了接箍材料的理化性能、腐蚀产物、接箍内应力等。结果显示，材料理化性能满足标准要求，由于接箍内部环向应力与硫化氢腐蚀综合作用导致接箍发生纵向开裂。提出如果降低选用材料耐蚀等级，必须对油套管采取系统措施，包括控制螺纹参数偏差、控制上扣扭矩、采用无牙痕或微牙痕大钳、选用特殊接头等，才可避免发生应力腐蚀开裂失效。

套管;接箍;环向应力;应力腐蚀;扭矩;开裂失效

由于油价降低，很多油田开发过程中加大了低价常规油套管的选用。在进行充分研究的基础上，选用性价比最好的油套管不失为降本增效的好方法。但如果不顾井下工况条件，盲目选用低成本油套管，现场就会很容易发生失效事故［1-6］。中亚地区的油田多数都有一定腐蚀性，如未进行系统研究就选用常规材料，失效将不可避免。

详细分析了中亚某区块油井Φ244.48×11.05mm P110 BC套管接箍腐蚀失效事故。结果显示，由于管柱设计选材过程中未考虑井下腐蚀因素，为了节约管柱成本，选用了常规API材料。但管柱下井后，在井下遇到硫化氢，上扣扭矩过大的接箍在环向应力作用下产生纵向应力腐蚀开裂。最后给出了在轻微腐蚀条件下使用普通材料应注意的一些事项。

图1 纵裂接箍宏观形貌

1 失效概况

2014年10月中亚某井下Φ244.48×11.05mm P110 BC套管管柱，试压过程中未能稳定压力。取出管柱后发现一个接箍纵向贯穿开裂，宏观形貌如图1所示。接箍表面有很多点蚀形貌，一些区域多个腐蚀坑合并形成小区域苔藓状剥落区。宏观形貌显示裂纹源区靠近接箍端面处，宏观无屈服变形，有多个源区自外表面向内扩展，裂纹穿过表面损伤严重的区域。裂纹源区表面颜色较深，快速扩展区表面呈黄色。接箍内表面磷化层无明显腐蚀痕迹。对失效接箍材料理化性能、腐蚀产物、接箍内应力等进行分析，探讨了该接箍纵向开裂的原因，为研究井下油套管的应力腐蚀开裂提供案例，再次证明油田开发油套管选材必须进行系统研究才能避免井下失效发生。

2 常规理化性能检测

2.1 化学成分分析

从失效接箍上取样，用直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明，接箍化学成分符合API SPEC 5CT-2011标准要求。

2.2 力学性能

从失效接箍上分别取拉伸、冲击和硬度试样进行相应的力学性能试验。结果见表2。

2.3 金相分析

从失效接箍上取金相样，依据GB/T 13298、GB/ T 6394和GB/T 10561标准进行金相组织、晶粒度及非金属夹杂物评定。失效接箍材料组织为回火索氏体(图2)，组织均匀。晶粒度等级为8.0级，非金属夹杂物分别为:A0.5，B0.5，C0.5，D1.5(图3)。

表1 化学成分分析/%

表2 失效接箍力学性能试验结果

图2 显微组织

图3 非金属夹杂物

图4 接箍表面点腐蚀形貌

3 形貌分析

3.1 宏观分析

从图1可看出，接箍发生纵向贯穿开裂失效，接箍表面裂纹走向有多处曲折变化，接箍外表面多处严重腐蚀，一些区域多个腐蚀坑合并形成小区域苔藓状剥落区，如图4所示。断面裂纹宏观形貌显示裂纹源区靠近接箍端面处，裂纹为自外表面向内扩展，形成微小的台面，初始腐蚀区域腐蚀产物颜色较深，裂纹快速扩展区域和断后磨损区域有黄色的氧化腐蚀产物，如图5所示。

图5 裂纹扩展形貌

图6 垂直断裂面二次裂纹

3.2 微观形貌及能谱分析

在接箍垂直裂纹扩展面上多处可看到二次裂纹，裂纹曲折扩展伴随多处次级裂纹萌生，如图6a)和b)所示，裂缝中填充大量腐蚀产物，如图6c)和d)所示。

腐蚀坑坑底局部有细小的微裂纹扩展到金属基体内部，微裂纹曲折有分叉，多个裂纹并存，如图7所示。裂纹中可以观测到深色腐蚀产物，检测结果显示腐蚀产物中S元素的特征谱线较强，如图8所示。

4 接箍应力情况分析

油套管接头内、外螺纹均为锥度螺纹，在上扣操作过程中接箍内部产生越来越大的环向应力［7］。由于如下几个因素，接箍内局部环向应力及轴向应力会继续增加，一旦遇到合适的环境介质，就会发生应力腐蚀开裂［8-10］。

1)螺纹加工偏差。加工螺纹参数偏差可缓解接箍内环向应力水平，尤其是采用带台肩特殊接头，通过优化设计，可把环向应力水平控制在合理水平，大大降低接箍发生纵向开裂的概率。案例中套管采用普通偏梯形螺纹，尺寸偏差大，实际上扣扭矩变化范围较大，不利于接箍内应力水平的控制，极端情况下，接箍仅上扣后就可能出现较高的环向拉应力。

2)管柱下井后接箍承受拉伸及内压载荷，进一步增加了接箍内部的环向应力水平。

3)上扣大钳对接箍外表面的夹持，经常会造成较深的牙痕［9］，牙痕底部将形成环向应力集中点。

由于上述原因，普通偏梯形螺纹接箍内部的环向应力水平很难控制。一旦内部环向应力较高的接箍遇到硫化氢腐蚀环境，就很容易发生纵向开裂［10］。

图7 腐蚀坑坑底二次裂纹

图8 腐蚀坑微裂纹处能谱分析

5 结论与建议

综上所述，该井的接箍纵向开裂失效是由硫化氢腐蚀引起的环向应力腐蚀开裂。

针对含硫化氢的环境，为了保证安全，避免发生井下失效，在油套管选用或使用过程中建议如下:

1)优先采用低台肩扭矩的特殊接头油套管。由于接头结构经过优化设计，其内部应力水平较低，可降低应力腐蚀开裂概率。

2)严格控制螺纹参数加工质量，减少接头上扣扭矩波动范围，避免大上扣扭矩导致接箍内很大环向应力。

3)采用无牙痕或微牙痕上扣大钳，避免接箍表面出现应力集中点。

4)在保证接头性能可满足强度与密封条件下，尽可能降低接头上扣扭矩，尤其是螺纹过盈产生的扭矩，可把接箍内环向应力水平降低，减少发生应力腐蚀开裂的可能性。

5)根据硫化氢等腐蚀介质压力与浓度，选用合适的材料，避免应力腐蚀开裂失效，在经济与安全中间取得平衡。

［1］王鹏，刘文红，路彩虹，等.P110钢级油管接箍开裂失效分析［J］.理化检验:物理分册，2015，51(4):293-296.

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Taking the longitudinal cracking failure of a casing coupling as an example，the physical and chemical properties，the corrosion products and the internal stress of the coupling material are analyzed.It is shown that，the physical and chemical properties of the coupling material meet the standard requirements，and the combined effect of the internal circumferential stress and the hydrogen sulfide corrosion of the coupling leads the longitudinal cracking of the coupling.It is held that if the corrosion resistance grade of the coupling material is reduced，it is necessary to adopt a series of measures to prevent the stress corrosion cracking of the casing coupling，including to control the deviation of thread parameters，to control buckle torque，to use the hydraulic tong without tooth mark or with micro tooth mark，to choose special joint，etc.

casing;coupling;circumferential stress;stress corrosion;torque;cracking failure

梅

2015-07-06

杨宏利(1984-)，女，主要从事油气开采用油套管加工及质量检测控制管理工作。