高H2S环境油管断裂原因分析

李风（1.中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心， 山东 东营 257000；2.中国石油大学（华东）， 山东 东营 25700）

高H2S环境油管断裂原因分析

李风1.2（1.中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心， 山东 东营 257000；2.中国石油大学（华东）， 山东 东营 25700）

通过事故调查、材料检测、断口分析，对某油井油管断裂原因进行了深入分析，得到该油管表面存在大量的严重应力集中区，而产出液硫化氢含量较高，油管与硫化氢发生化学腐蚀后氢扩散、集聚速度加快，最终导致硫化氢致应力开裂而发生断裂的结论，并为避免类似事件再发生提出了建议措施。

金相组织；H2S；电子探针；高周疲劳

事故井为为评价井，局部构造济阳坳陷。设计井深4240m，完钻井深4573m，筛管深度3848.95m，射孔井段3850.5～3889.3m；完钻层位奥陶系，完井方法为套管完井，井型为直井。对断裂油管打捞后测量，断口位于井下约340米处。针对油管断裂进行了以下检测分析，并根据检测分析结果得出造成油管断裂的原因以及应对措施。

1　化学成分分析

油管材质化学成分的分析结果见表1。

表1　管材的化学成分（%）

2　力学性能分析

断裂油管的机械性能见表2 。断裂油管和与之相接的油管力学性能基本一致，其机械性能指标符合API SPEC 5CT 中N80钢级。

表2　断裂管和邻接管的纵向机械性能

3　断裂管材金相组织分析

断裂油管纵向组织分析：根据GB/T 10561-2005标准，非金属夹杂物，评定为A2.5；D3级，见图1；根据GB/T13298标准，纵向带状组织评定为B系列3级，块状铁素体晶粒和珠光体团均匀细小，见图2，均符合API SPEC 5CT 中N80钢级要求。

图1　非金属夹杂物（×100）

图2　金相组织（×500）图3断口宏观形貌

4　断口宏观形貌分析

由图3可见，断裂源区有2个。在裂纹扩展区具有台阶形貌，最后为明显的快速撕裂的剪切层。根据裂纹与发展逆向原理，确定两个裂纹萌生点，且两裂纹相交，出现了台阶。断口存在高周疲劳多源断裂的特征，说明油管在断裂过程中，由于压力突然泄放出现了高频震动，直至最后撕裂。

5　断口微观分析

由两个裂纹源之一的塑性变形区电子探针形貌（图4）可见，存在较大塑性变形区，且塑性变形区的硫和铁含量很高，与之相对应的是，远离裂纹源区硫含量低得多（图5）。成分中Na、Ca、Al、Mg、Zn和Cl等属于痕量级别，不影响结果分析。另外一个裂纹源具有相同结论。

根据成分测试结果可知，裂纹在萌生过程中发生了硫化氢致应力开裂。其一般机理是：在硫化氢介质中，硫化氢与铁发生局部腐蚀，电离出的H2渗入铁基体，并扩散、集聚而导致裂纹萌生。反应式为：

H2S + Fe → FeS + H2

由于氢在材料中扩散、集聚，局部压力上升而导致机体萌生裂纹，出现较大塑性变形区。判断硫化氢致应力开裂的主要证据包括：硫化氢浓度、温度、材质、应力状况、表面腐蚀状况等。在本案例中，硫化氢浓度为6000ppm、温度在30℃左右、材料带状组织、表面应力集中明显，等等，可以判断发生了硫化氢致应力开裂。

表3　电子探针成分分析

图4　裂纹源区电子探针分析

图5　远离裂纹源的电子探针分析

6　断裂原因分析

断裂油管金相组织为块状铁素体 + 细片珠光体组织，机械性能达到N80等级，材料中非金属夹杂物等级为2.5级，带状组织等级为B系列3级。

油管表面存在较深的液压钳夹持造成的咬痕，由于油管使用时间短，管材表面无明显腐蚀迹象，但由于管材表面的咬痕为严重应力集中区，加速了硫化氢与铁的化学反应，导致氢的扩散、集聚速度加快，裂纹塑性变形区较大、塑变区硫含量很高、表面存在明显的应力集中是硫化氢致应力开裂的很好证据。

根据断裂作业、材料分析、断口成分和断口形貌分析，作出综合判断，油管在交变应力作用下，发生了硫化氢致应力开裂，最终导致断裂。

7　结语

油井产出液中H2S含量高时，易造成管、杆氢致应力开裂，应及时对产出液进行组分分析，当H2S含量高时宜采取适当措施，例如使用防硫管材等方式，避免氢致应力开裂的发生对生产造成严重后果。

［1］楮武扬.氢损伤和滞后断裂［M］.冶金工业出版社，1988.

［2］航空航天工业部失效分析中心.航空机械失效案例选编［M］.北京：科学出版社，1988.

［3］胡世炎.机械失效分析手册［K］.成都：I～Jll科学技术出版社，1999.