某N80 油管接箍腐蚀断裂失效分析*

近年来， 更深油气田、 低压低渗透、 海洋油气、 非常规油气等已成为我国油气未来开发的主题， 管材及管螺纹失效事故越来越多， 在页岩气开采过程中， 含有卤化物、 碳氢化合物以及地层微生物等的注入流体会随着压力的释放而返排至地面

， 包括返排液和产出水

。 其中产出水具有液量大、 成分复杂、 污染物浓度高和矿化度高的特点

。 这一期间井流物中的腐蚀介质 （CO

、H

S、 溶解氧及微生物） 等， 会导致井下管柱内外壁产生局部腐蚀减薄、 穿孔， 甚至失稳断裂

， 因此油管腐蚀失效问题的研究对于井下管柱失效的防护以及生产安全具有重要意义。

1 接箍服役及开裂状况

2021 年4 月， 西部某油田Y 井因日产气下降， 在进行上提油管挂时发现Φ60.32 mm×4.83 mm N80 EU 油管接箍发生横向断裂， 如图1 所示。本研究通过理化性能分析、 断口分析、 腐蚀产物分析以及有限元模拟对该断裂接箍进行了失效分析， 为避免或减少同类型腐蚀失效提出了合理可行的建议。

由2位高年资病理科医师进行双盲阅片。以PBS替代一抗作为阴性对照，用已知阳性切片作为阳性对照。具体评分标准如下：(1)根据染色程度进行评分：无染色为0分，弱染色为1分，中染色为2分，强染色为3分；(2)根据着色细胞百分率进行评分：<5%为0分，5%～25%为1分，>25%～50%为2分，>50%～75%为3分，>75%为4分。(1)和(2)相加为总积分，总分为0～7分，0分为阴性(-)，1～2分为弱阳性(+)，3～5分为阳性(++)，6～7分为强阳性(+++)[9]。

谈起自动变速器油路故障的诊断，维修人员首先想到的往往会是阀体，也就是变速器的液压控制模块。很多没有系统维修体系的小型修理厂遇到换挡问题会试图通过更换阀体来解决，但是所更换的阀体又常常是二手的，并不能保证阀体的可靠性，因此维修一个变速器常需要更换多次阀体，有时问题依然会存在，且每次的症状会不尽相同，这样就导致其维修时间长，成本高，而维修质量又参差不齐了。

西部某油田Y 井井深2 700 m， 2018 年6 月16 日投产， 2019 年8 月15 日下入2 698.72 m全井段N80 钢级油管。 2020 年11 月出现套压与油压相同的情况， 日产下降至1.8 万m

， 日产水2 m

。 2021 年4 月27 日， 对该井实施压井作业后转入敞井观察， 期间吊罐返排液21.35 m

， 出口无显示。 连接油管挂， 上提油管挂， 指重表显示悬重3 t。 4 月30 日起至原井油管第39 根时发现油管断裂， 断裂处为油管接箍本体， 断裂处有明显锈蚀痕迹。

2 断裂接箍理化性能

2.1 宏观形貌分析

断裂接箍断口宏观形貌如图2 所示。 由图1 和图2 可见断口区域沿壁厚深度方向呈现出明显的腐蚀形貌， 接箍断面附着较厚的锈黄色的腐蚀产物，清洗后呈黑褐色， 整体沿环状腐蚀， 断裂区未见明显的塑性变形， 接箍外壁未见明显的腐蚀形貌。对样品进行切割取样， 观察发现靠近内螺纹区域腐蚀深度更大， 并且紧邻断口的内螺纹区域齿底发生了穿孔， 内蚀孔尺寸约为0.5～1 mm， 腐蚀是由内向外的。 用激光共聚焦显微镜对其内腐蚀深度进行测量， 如图3 所示， 其纵向腐蚀深度约为0.7 mm。

2.2 化学成分及力学性能分析

对断裂接箍的化学成分进行取样检测， 结果见为232HV， API SPEC 5CT 10th 对N80 钢级硬度没有明确规定， 但对比该钢级常规产品硬度值， 与常规产品硬度值保持一致， 未发现硬度异常。

2.3 金相及夹杂物分析

从断裂接箍管体以及断口取样， 依据GB/T 13298—2015

， GB/T 10561—2005

， GB/T 6394—2017

进行组织、 晶粒度、 非金属夹杂物分析， 显微组织如图5 所示。 由此可以得出接箍管体以及断口附近的显微组织均为回火索氏体， 晶粒度9.0 级。 断口附近微观组织中的非金属夹杂物为B0.5、 D0.5 级， 未见异常组织分布。

该水质液相中硫酸盐还原菌达30 000 个/mL，远远超过SY/T 5329—2012 《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》 的要求 （≤25 个/mL）。一般认为SRB 在pH 近中性、 温度为30～35 ℃的环境下适宜繁殖

。

2.4 微观形貌及腐蚀产物分析

其次， SRB 产生的S

与Fe

相互作用， 生成铁的硫化物， 附着在铁表面上， 形成阴极， 与Fe 阳极形成浓差电池， 加剧了金属的腐蚀。

溶液中离子的浓度除影响尿酸盐溶解度外，对MSU晶体成核的作用也不容忽视。在体外实验中，随着尿酸盐浓度的升高，MSU晶体成核越多；同时，提高溶液中Na+的浓度也可促进MSU晶体成核[7-8]。在生理条件下，K+、Mg2+、Cu2+对MSU晶体成核有较小的抑制作用，而Ca2+对MSU晶体成核没有影响；当Ca2+浓度过高时，形成的往往是尿酸钙晶体而非MSU晶体[7]。

为进一步对其腐蚀产物进行分析， 刮取腐蚀坑附近的腐蚀产物进行XRD 检测， 结果显示，其腐蚀产物由FeCO

、 FeS

、 Fe

O

组成。 其中FeCO

为CO

腐蚀的典型产物

， 断口表面的黑色腐蚀产物含有FeS

硫化物， 所以可以确定能谱分析的腐蚀产物中S 元素与H

S 有关

。

2.5 断口微观形貌分析

将断口试样在低浓度的酸性试剂（5%草酸+95%无水乙醇） 中清洗30 min。 对其进行扫描电镜观察， 如图8 所示。 断口试样表面呈现大量不规则蜂窝状， 这种腐蚀形貌与碳钢在酸性介质中溶解后的微观形貌极为相似

。 接箍外壁断裂处存在大量的小韧窝， 说明其断口的断裂形式非脆性断裂。在局部区域有少量纵深发展的小孔， 这是由于侵蚀离子Cl

所致

。

这与上述XRD 分析的结果一致， 腐蚀产物中的S 元素主要来源于水质液相中SRB 严重超标的结果。 因此CO

腐蚀和SRB 腐蚀是产生局部腐蚀坑的主要原因， 又因为在SRB 腐蚀中的协同作用中， 厌氧型SRB 和典型好氧微生物IOB 会协同加速工程材料的腐蚀（如图9 所示）。其次CO

环境、 近中性pH 值、 适宜的温度（30～60 ℃）， 都可以使细菌加速腐蚀。 另外， 液相中的Cl

含量为14 380 mg/L， Cl

能够穿过腐蚀产物间隙， 造成局部严重的坑蚀， 因此Cl

对局部腐蚀过程的促进作用不能忽视。

3 失效原因分析

3.1 原始缺陷对接箍断裂的影响

接箍断口金相分析和化学成分分析结果表明， S、 P 含量符合标准要求， 且组织中未发现非金属夹杂物。 硫化物及磷化物这两种夹杂物通常被认为是局部区域孔蚀以及开裂的主要诱因

。由此可见， 由夹杂物引起N80 钢接箍断裂的可能性较小。

3.2 环境介质对接箍断裂的影响

接箍断裂失效发生在离接箍端面40～45 mm处， 如图10 所示。 接箍腐蚀发生在离接箍端面第8 牙 （36.154 mm） 到第11 牙 （45.679 mm）螺纹位置， 按接箍断裂处管柱自重计算， 接箍断裂处应力为192 MPa， 仅为N80 屈服应力的35%。

式中：假设6B型燃气轮机、LM2 500型天然气内燃机和J920型天然气内燃机计划建设台数分别为x、y和z，x、y、z均为非负整数；单台机组造价分别为A、B和C(万元/台)；单机容量分别为I、J和K(MW)；岛内电厂供电能力和“十三五”内新增气电容量之和为L(MW)；远景最大负荷为P(MW)；岛内备用容量为R(MW)。

采用扫描电镜对接箍断口进行微观形貌观察， 结果如图6 所示。 断面环向一圈被腐蚀， 且有多个圆弧点蚀， 腐蚀坑壁处覆盖有疏松、 多孔的腐蚀产物 （图6 （a））， 腐蚀坑底处其微观腐蚀产物膜不平整且同时存在开裂 （图6 （b））。对其腐蚀产物进行能谱分析， 结果如图7 所示， 从图7 中可以看出腐蚀产物主要由Fe、 O、 S 以及Cl元素组成， 腐蚀坑底以Fe、 S 元素为主。

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3.3 螺纹结构对接箍断裂的影响

该井口温度约为20～30 ℃， 油管底部温度约为130～140 ℃， 井口压力约为1.5～30 MPa， 气量约为 （1.5～30） ×10

m

/d， 水量约为0～20 m

/d。其注水水质及组分见表2。

对接箍腐蚀及断裂位置进行图纸还原， 如图11 所示。 接箍失效发生在和管体配合后距离管体端部1 牙到2 牙处。 管体涂层保护位置（3～4 牙） 没有发生腐蚀失效。 圆螺纹上扣靠扭矩控制， 上扣位置会略有差别， 腐蚀位置也会略有差别。

对圆螺纹接箍和管体配合后接头进行有限元模拟分析， 如图12 所示。 发现在上扣后和轴向载荷下， 接箍和管体配合后最大应力位置在最后1 牙到2 牙处， 和接箍腐蚀及断裂失效位置保持一致。

依据上述分析， 接箍和管体配合后最大应力位置在距离管体端部最后1 牙到2 牙处， 断裂和腐蚀位置也发生在接箍和管体配合后距离管体端部1 牙到2 牙处。 接头装配后， 内外螺纹的齿顶和齿底形成螺旋间隙通道， 如图13 所示。 流体在内压作用下， 管柱内腔中腐蚀介质液体会通过接箍中间和管体配合后尾扣（非完整扣） 缝隙和缺陷处渗入螺纹齿顶齿底间隙通道。 由螺旋间隙通道、 腐蚀介质（CO

腐蚀、 SRB 腐蚀、 Cl

） 形成氧浓度差而造成齿底局部破坏， 形成了缝隙腐蚀。 但由于外螺纹表面有涂层保护， 使接箍内螺纹优先腐蚀， 在以缝隙腐蚀为主的腐蚀环境+SRB 腐蚀中的协同作用+轴向载荷的共同作用下， 最终导致接箍断裂。

4 结论及建议

（1） 该N80 EU API 圆螺纹接箍由于其结构设计特点， 在长时间服役过程中， 在含有Cl

、 CO

腐蚀、 SRB 细菌等腐蚀介质井液以及管柱内压作用下， 通过接箍中间缝隙进入齿顶和齿底的螺纹螺旋形泄露通道， 在以缝隙腐蚀为主的腐蚀环境+轴向载荷共同作用下， 最终导致接箍断裂。

（2） 对于注入水质进行严格的检测， 同时加入杀菌剂和缓蚀剂， 可降低细菌对于管材的腐蚀速率。

（3） 涂层会影响圆螺纹上扣参数， 若全管柱采用耐蚀合金材质， 会大幅增加油田油气开采成本， 建议优化螺纹结构， 开发经济型螺纹接头， 从结构上防止或减轻缝隙腐蚀对圆螺纹油管接头的影响， 解决接箍腐蚀及断裂失效问题。

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