某油管断裂原因

张金伟, 王克栋, 黄清生, 杨 栋

(机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司, 上海 201518)

油气田使用的油管服役条件十分恶劣，除了要承受液注力、摩擦力等复杂交变载荷的作用，还要承受内外部油、水、CO2、H2S、溶解氧和细菌等多种腐蚀介质的破坏，油管失效事故频发，给油气田的安全生产带来很大困扰。

某油田S-142井自井口第73根油管在使用约700 d后发生断裂，其载荷为20～21 t。该断裂油管结构形式为管端加厚型，断裂位于墩粗端，距管端头螺纹约211 mm，断裂部位的管外径为74.9 mm，壁厚为5.7 mm，材料为N80Q钢，油管内介质为油、气和水，介质中含有CaCl2，CO2，H2S，矿化度(单位体积液体介质中所含的各种离子、分子和化合物的总量)为10 000 mg/L。为查明油管断裂原因，笔者在该断裂油管上取样并进行一系列理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

油管断裂发生在距管端头螺纹211 mm处，该段油管螺纹侧略粗，断裂部位实测外径为74.9 mm。管内、外存在油污，外壁存在机械损伤，呈有规律排列的油管钳夹持痕迹和凹坑。剖开油管后可见内壁表面存在腐蚀坑，断裂面垂直于油管纵向，较平齐。油管没有发生明显变形，在断裂面上同时可见平行断面的环向裂纹和垂直断面的二次裂纹(见图1)。

图1 断裂油管宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂油管上取样并进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 断裂油管化学成分 %

在SY/T 6194—2003 《石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》表C.5中规定，第一组中的H，J，K和N钢级所有油管中的硫、磷元素质量分数应不大于0.030%，其他化学元素含量未作规定，油管以能达到相应的力学性能为准。

1.3 断口分析

1.3.1 宏观形貌

油管主断裂面垂直于油管纵向，为横向断裂。在断裂面上同时存在着横向裂纹和纵向裂纹，主断裂面粗糙、有油污，清洗后可见人字形花样，断裂面的壁厚无明显减薄，无宏观塑性变形，无剪切唇。断裂源呈多源特征，外壁裂纹源于机械损伤，内壁裂纹源于腐蚀坑(见图2)。

图2 断面宏观形貌

1.3.2 微观形貌

根据油管断裂的特点，取主断裂面和纵向裂纹断面进行微观形貌分析。主断裂面和纵向裂纹断面微观形貌基本相同，主要为氢脆准解理+韧窝+空洞+二次裂纹。主断裂面较粗糙，其裂纹扩展区的微观形貌在低倍下呈人字形花样[1]，在高倍下为氢脆准解理+韧窝+二次裂纹；内壁表面可见腐蚀坑和坑底裂纹，裂纹尖端有剪切韧窝[2][见图3a)，3b)]。纵向裂纹断面的微观形貌在低倍下呈放射状，在高倍下为氢脆准解理+空洞+沿晶二次裂纹+少量韧窝；其裂纹扩展区的微观形貌为韧窝+氢脆准解理+二次裂纹[见图3c)，3d)]。

图3 断面微观形貌

1.4 金相检验

对断裂油管进行金相检验。断口剖面处显微组织为回火索氏体+铁素体+贝氏体，呈沿轴向分布的带状组织特征，非金属夹杂物等级为A1.5，B0.5[见图4a),4c)]。在外壁表面存在氢鼓泡，同时观察氢鼓泡处产生的裂纹，裂纹扩展尖端呈台阶串接的特点[见图4b)]。由断口剖面微观形貌可知，裂纹扩展区呈穿晶和沿晶的混合特征，内、外壁的腐蚀坑和机械损伤是裂纹源区，在裂纹中和裂纹周围存在较多的非金属夹杂物。在主断面上可以观察到已扩展较深的二次裂纹，二次裂纹和内、外壁裂纹的扩展形态相同[见图4d)]。

图4 断裂油管微观形貌

1.5 能谱分析

取油管内垢物和断口表面附着物进行腐蚀产物的X射线能谱(EDS)分析。表2为EDS分析结果，结果表明腐蚀产物主要含有氧、镁、铝、硅、硫、氯、钾、钙、铁等元素，其中硫元素含量较高。

表2 腐蚀产物化学元素EDS分析结果 %

1.6 硬度测试

在油管横截面上划分的4个象限区域内的外部、中部和内部分别进行硬度测试，同时还在油管外壁表面以及表面机械损伤部位进行硬度测试，结果如表3所示。

表3 油管硬度测试结果 HRC

硬度测试结果表明，油管沿厚度方向中心部位的硬度明显高于内、外壁的；油管表面机械损伤部位的硬度明显高于表面正常部位的。

2 综合分析

断裂油管的显微组织为回火索氏体+铁素体+贝氏体，存在带状组织[3]和非金属夹杂物，反映了该油管经过了淬火+回火，符合SY/T 6194—2003中对N80Q级油管热处理的要求。显微组织中观察到氢鼓泡和二次裂纹[4-5],裂纹尖端呈氢致开裂特征。油管断裂宏观上呈脆性断裂特征[6-7]，微观上呈典型的氢致开裂特征。油管断裂是湿H2S+CO2引起的硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)[8-9]。

SSCC在工程上是一种常见的破坏现象，其开裂的特点是阴极充氢导致氢脆裂纹。可发生SSCC的材料包括低碳钢、低合金钢、高强钢、不锈钢等，开裂倾向随材料的强度升高而增加。在湿H2S介质中，材料抗SSCC能力受温度、H2S浓度、介质pH值、应力大小[10-11]及分布状态、材料化学成分和组织形态、金属焊接质量和表面质量、热处理状态等多种因素的影响。

从介质因素方面来说，湿H2S是低合金钢发生SSCC的敏感介质。该断裂油管工作介质为油、气和水，介质中含有CaCl2，CO2，H2S；EDS分析结果显示，腐蚀产物中硫元素含量较高。由于水和CO2的存在，介质呈酸性，产生H+去极化腐蚀，而介质中H2S的存在阻止了腐蚀反应生成的H原子向H2转变，使H原子向材料内部扩散，造成材料产生阴极充氢，形成氢鼓泡和氢致开裂。湿H2S引起的开裂包括SSCC、氢致开裂(HIC)、应力导向氢致开裂(SOHIC)及氢鼓泡(HB)，其破坏敏感度随H2S浓度的增加而增加，在饱和湿H2S中达最大值。

从材料化学成分和显微组织形态方面来说，钢中影响H2S腐蚀的主要化学元素是锰和硫，锰元素易使设备在焊接过程中产生马氏体和贝氏体，这些高强度、低韧性的显微组织表现出较高硬度，这对设备抗SSCC极为不利；硫元素则在钢中形成MnS，FeS等非金属夹杂物，使局部显微组织疏松，在湿H2S环境下易诱发HIC，SOHIC和HB。观察断裂油管的显微组织发现，在裂纹中和裂纹的周围存在较多的非金属夹杂物，表明非金属夹杂物对诱发湿H2S环境下的HIC或SOHIC有促进作用。针对断裂油管中存在带状组织的问题，张旺峰等[12]的研究结果表明，材料组织中存在与施加应力方向平行的带状组织，可以起到阻碍裂纹扩展的作用，从而提高其SSCC抗力。

材料硬度对SSCC敏感性的影响很大，对于在湿H2S介质中使用的材料，其硬度应控制在22 HRC以下。断裂油管整体硬度偏高，特别是表面机械损伤部位的硬度明显高于周围正常部位。机械损伤造成材料局部硬化和应力集中[13-14]，对裂纹的形成起促进作用，使该部位对应力腐蚀开裂更加敏感，加速了油管应力腐蚀裂纹的产生。

3 结论

油管断裂是湿H2S环境下产生的SSCC。操作介质中存在H2S和CO2是油管产生SSCC的主要原因，油管表面工具和卡具引起的机械损伤造成材料局部硬化和应力集中以及显微组织中存在非金属夹杂物，这些都对裂纹的形成起到促进作用，同时加速了油管应力腐蚀裂纹的产生。