316L不锈钢液控管线失效分析*

顾启林，孙永涛，马增华，董社霞，朱春明

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300459）

316L不锈钢液控管线失效分析*

顾启林，孙永涛，马增华，董社霞，朱春明

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300459）

316L不锈钢液控管线在某油田注汽井服役过程中出现了多条裂纹，导致液压油渗漏。通过宏观检验、金相分析、成分分析、扫描电镜（SEM）观察及能谱分析（EDS）等检测方法对液控管线失效原因进行了分析。分析结果表明：316L不锈钢液控管线在高温（260℃）、高压（19.5 MPa）下工作，环境中存在氯离子和氧，在拉应力共同作用下发生了应力腐蚀开裂（SCC）。

316L不锈钢 液控管线 应力腐蚀开裂 失效

某油田蒸汽吞吐井开展热采井下安全工具试验期间，使用φ6.35 mm的316L不锈钢液控管线控制井下安全阀的开启、关闭。液控管线处于油套环形空间，经油管接箍，通过管线保护器固定到φ114.3 mm的隔热油管上。管线内部充满高温液压油，周围介质为高温高压的水、蒸汽、氮气和氧气等混合流体，最高工作温度约为260℃，最高工作压力约为19.5 MPa［1］。焖井期间液控管线出现压力逐渐下降现象，补压后快速下降，且无法泄压至零，导致安全阀无法正常关闭。起井后发现，位于170～200 m井段的液控管线存在多处裂纹。为找出原因以防止腐蚀开裂再次发生，对发生腐蚀的部位进行了详细检查分析。

1 检测分析

1.1 宏观检验

根据腐蚀程度，从液控管线不同位置取样，进行宏观检查及裂纹水穿透性检测试验，结果见图1和图2。由图1和图2可以看出，液控管线存在多条贯穿管线内外的平行微裂纹，裂纹均分布在管线存在拉应力的一侧［2］。

图1 液控管线裂纹

图2 液控管线裂纹水穿透性检测

1.2 显微形貌分析

采用体视显微镜对液控管线断口形貌进行观察，显微形貌见图3和图4。由图3可以看出，1号样品裂纹内部断口平整，裂纹外部未见明显的塑性变形；由图4可以看出，2号样品裂纹尖端呈分叉状，存在明显的二次裂纹［3］。

图3 1号样品裂纹显微形貌

图4 2号样品裂纹显微形貌

1.3 金相分析

使用金相显微镜对液控管线进行金相组织观察和分析，图5为两处裂纹的显微组织和形貌。由图5可以看出，液控管线基体组织和裂纹周边组织均为奥氏体，无明显差异，裂纹呈树枝状，属典型的穿晶型裂纹［4］，一些晶粒表面还可看到点状腐蚀坑。

1.4 成分分析

将液控管线切断分段后，在丙酮中进行超声清洗，去除管线内外油污，然后对管线基体进行电子能谱分析（EDS）［5-6］，结果见表 1。由表 1可知，失效的液控管线基体的主要化学成分Cr，Ni，Mo和Mn含量均符合标准API Spec 5L规定的316L不锈钢的标准成分要求，材质属于316L奥氏体不锈钢。

图5 裂纹处的显微组织和形貌

表1 失效液控管线基体化学成分 w，%

1.5 扫描电镜形貌观察

对样品的裂纹表面和内部进行扫描电镜（SEM）观察和EDS，结果见图6至图12。

图6 1号样品裂纹表面的SEM形貌

图6为1号样品裂纹表面的SEM形貌，可见裂纹处韧窝不显著，主要为腐蚀作用形成的裂纹形态［7］。图7和图8为1号样品裂纹内部的SEM形貌和EDS分析结果，可见裂纹内部有含O，Mo，Ni和Fe等元素的腐蚀产物。图9至图12分别为2号样品裂纹表面、裂纹内部的SEM形貌和EDS分析结果，可见裂纹表面和裂纹内部均存在明显腐蚀产物［8］。

图7 1号样品裂纹内部SEM

图8 1号样品裂纹内部EDS

图9 2号样品裂纹表面SEM

图10 2号样品裂纹表面EDS

2 失效原因分析

2.1 工作温度

液控管线在井下所处的状态见图13，注蒸汽期间油套环空的温度逐渐升高，导致液控管线的强度和韧性下降，且在200～300℃内，316L不锈钢具有应力腐蚀开裂敏感性，较高的工作温度加速了液控管线开裂失效的过程［9-10］。

2.2 工作应力

注蒸汽期间油套环空的温度逐渐升高，液控管线受热伸长，处于拉伸状态，且抗拉伸性能逐渐下降。

图11 2号样品裂纹内部SEM

图12 2号样品裂纹内部EDS

图13 液控管线井下状态

2.3 工作介质

（1）注蒸汽前，油套环空中充满了生产水和原油的混合物，含有一定量的氯离子，而奥氏体不锈钢对含有氯离子的介质特别敏感。注蒸汽过程中，油套环空温度逐渐升高，由于溶液中存在氯离子，将会加速腐蚀开裂［11］；

（2）注蒸汽过程中，向油套环空注入的氮气中含有体积分数4%的氧气，满足奥氏体不锈钢高温高压纯水含氧介质的应力腐蚀条件。

综上所述，在温度、应力以及介质中氯离子和氧的联合作用下［12］，液控管线产生应力腐蚀裂纹源，随后裂纹继续发展，最后在应力和腐蚀的交替作用下［13］，液控管线最终发生穿透泄漏而失效。

3 结 论

（1）介质中存在氯离子和氧气，在拉应力共同作用所导致的奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂（SCC）是316L不锈钢液控管线失效的主要原因；

（2）高温服役环境（最高温度260℃）加剧了316L不锈钢液控管线的开裂失效过程。

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Failure Analysis of 316L Stainless Steel Hydraulic Pipeline

Gu Qilin，Sun Yongtao，Ma Zenghua，Dong Shexia，Zhu Chunming
（COSL Oilfield and Production Research Institute，Tianjin 300459，China）

A number of cracks appeared on 316L stainless steel hydraulic pipeline in service，leading to the leakage of hydraulic fluid.Failure causes of the pipeline were analyzed by means of macroscopic detection，metallographic analysis，composition analysis，SEM and EDS.The results show that the pipeline suffered from stress corrosion cracking（SCC）due to the interaction of chloride ions，oxygen ions and tensile stress under high temperature and high pressure（260℃，19.5 MPa）.

316L stainless steel，hydraulic pipeline，SCC，failure

2017-06-20；修改稿收到日期：2017-09-21。

顾启林（1986—），硕士，中级采油工程师，2010年毕业于中国石油大学（北京）油气田开发工程专业，现主要从事海上稠油开采工作。E-mail：guql2＠cosl.com.cn

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“规模化多元热流体热采工程技术示范”（2016ZX05058-003-009）。

（编辑 王维宗）