油井管是石油、天然氣開采過程中的重要部件,其中J55鋼級油井管占國內油井管總需求量的50％以上[1-2],J55鋼級油井管是石油管材產(chǎn)品中的普通鋼級產(chǎn)品,用于地質條件相對較好、井深較淺的環(huán)境。國內廠家生產(chǎn)的J55鋼級油井管材料一般為37Mn5鋼。 

由于套管鉆井技術的應用以及采油工藝的特殊性,油井管長期在交變載荷下工作,并在多處與抽油桿接箍及桿體發(fā)生接觸摩擦,加上井內液體腐蝕等因素的影響,油井管連接螺紋處經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂、破損、偏磨、腐蝕等現(xiàn)象,嚴重影響了油田的正常生產(chǎn),并造成巨大經(jīng)濟損失[3-6]。一般來說,水井的地質條件、深度及作業(yè)環(huán)境等比油氣井好,因此在水井的開采中常常使用J55油井管產(chǎn)品。 

某水井開采時,設計使用規(guī)格為177.8 mm×8.05 mm（外徑×壁厚,下同）的J55套管,工程實際采用規(guī)格為177.8 mm×6.91 mm 的J55套管,鋼管在下井過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象。共計下井80多支鋼管,斷裂發(fā)生在從井口向下的第10支鋼管上,斷裂位置為非接箍處。筆者采用一系列理化檢驗方法對鋼管斷裂原因進行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

截取斷裂鋼管的上半部分作為試樣,斷裂鋼管試樣的宏觀形貌如圖1所示。鋼管表面及斷口被氧化銹蝕,從鋼管整體形貌判斷,鋼管在豎直井中受到拉力作用并發(fā)生塑性變形,導致鋼管斷裂,且鋼管塑性變形量較大。 

圖  1  斷裂鋼管試樣的宏觀形貌

鋼管斷口4號試樣外表面有明顯的縱向裂紋缺陷（見圖2）,縱向裂紋與斷裂橫截面垂直相交,呈丁字形,判斷裂紋源在4號位置附近。從截面看,該處裂紋已貫穿鋼管的內、外表面。 

圖  2  鋼管斷口4號試樣宏觀形貌

1.2   化學成分分析

從斷裂鋼管上取樣,利用ICP-AES電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測試其化學成分,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分滿足API 5CT 《套管和油管規(guī)范》要求,且P、S元素含量控制得較好。 

1.3   力學性能測試

在遠離斷口位置取樣,并按API 5CT要求進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗,試驗結果如表2所示。由表2可知：所取試樣的力學性能均符合材料的使用要求。 

1.4   金相檢驗

用光學顯微鏡對試樣的組織進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,內表面存在混晶組織,中部和外表面的組織比較均勻,晶粒度為5.5級。 

圖  3  鋼管橫截面內表面、中部、外表面的顯微組織形貌

對鋼管斷面的5個部位進行分析,分別編號為1~5號,其中1號和4號試樣的裂紋比較典型,分別對這兩個試樣的情況進行分析。 

將4號試樣切掉上半部分后觀察,發(fā)現(xiàn)裂紋從外表面起裂,深入基體約4 mm。 

對斷口面進行磨制、拋光,再置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知,裂紋周圍無明顯非金屬夾雜物。用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知,該部位組織存在明顯的混晶現(xiàn)象。裂紋從鋼管外表面由細到粗再到細擴展,鋼管外表面起始裂紋處一側有脫碳現(xiàn)象,在內表面裂紋變粗處,晶粒有變形特征；從裂紋的尖端看,裂紋呈沿晶開裂特征,并逐漸變細。 

圖  4  拋光態(tài)裂紋及非金屬夾雜物微觀形貌

圖  5  腐蝕后裂紋周圍微觀形貌

進一步觀察斷口附近的顯微組織,發(fā)現(xiàn)該斷口附近的組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體（見圖6）。由圖6可知：裂紋附近和基體均存在明顯的混晶現(xiàn)象,小晶粒的晶粒度級別為8~9級,大晶粒的晶粒度級別為2~3級,且大晶粒的比例占到40%以上,裂紋處存在粗大晶粒,且裂紋旁的晶粒有明顯變形。 

圖  6  斷口附近的顯微組織形貌

1號試樣的位置為鋼管斷面的瞬斷區(qū)附近,裂口由外表面向內表面延伸,但沒有貫穿。 

對1號試樣缺陷處外表面進行磨制、拋光和觀察,結果如圖7所示。由圖7可知：裂紋處未觀察到非金屬夾雜物,從斷口的底部可以明顯看到鋼管外表面存在縱向裂紋缺陷。 

圖  7  拋光態(tài)裂紋微觀形貌

用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖8所示。由圖8可知：斷口周圍組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,混晶現(xiàn)象不明顯,斷口一側有脫碳現(xiàn)象。說明鋼管外表面存在原始的細小縱向裂紋。 

圖  8  腐蝕后裂紋周圍顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）分析

將斷口試樣進行超聲清洗后,置于掃描電鏡下觀察,結果如圖9所示。由圖9可知：斷口銹蝕嚴重,微觀形貌以韌窩為主,呈韌性斷裂特征。 

圖  9  鋼管斷口4號試樣SEM形貌

2.   綜合分析

該斷裂鋼管的化學成分、力學性能均符合標準要求,但鋼管的沖擊性能一般。裂紋周邊未見異常。鋼管基體組織存在混晶現(xiàn)象。 

從鋼管斷口處典型的金相檢驗結果可以看到,裂紋由外表面起始向內擴展,并呈現(xiàn)由細到粗再到細的特點。鋼管外表面起始裂紋處的脫碳現(xiàn)象說明鋼管外表面存在原始細小裂紋。另外,裂紋附近組織混晶現(xiàn)象嚴重,晶粒存在明顯變形。通過以上分析可以推斷：該J55套管斷裂的原因是鋼管在超設計使用過程中,鋼管所承受的拉力和扭轉力達到了鋼管截面實際所能承受的極限值,這時鋼管外表面局部存在的細小裂紋成為了斷裂起裂源,再加上裂紋處粗大的晶粒使晶界的曲折減少,導致裂紋沿粗大晶粒的晶界傳播,并在外力的作用下向內表面擴展,最終導致鋼管發(fā)生斷裂現(xiàn)象。 

采用37Mn5鋼生產(chǎn)的J55套管在熱軋狀態(tài)下的組織一般為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,網(wǎng)狀鐵素體的存在破壞了組織的連續(xù)性,在一定程度上降低了材料的塑性、沖擊韌性和疲勞韌性[7-8],這就使得J55油井管的使用條件受到一定限制。對于水井開采來說,采用J55鋼級的鋼管是可行的,但一定要根據(jù)下井深度等條件設計好所使用鋼管的外徑和壁厚。鉆井工程設計要求使用規(guī)格為177.8 mm×8.05 mm的J55套管,而實際使用了177.8 mm×6.91 mm套管,鋼管處于超負荷服役狀態(tài),鋼管承受了過大的力,這也是鋼管斷裂的原因之一。 

3.   結語及建議

（1）J55鋼管斷裂模式為塑性斷裂,且斷裂原因不是化學成分、力學性能和非金屬夾雜物不合格。 

（2）由鋼管斷口的初步分析可知,鋼管表面存在的細小裂紋缺陷和不良的混晶組織,再加上鋼管的超設計使用是鋼管斷裂掉井的主要原因。 

（3）建議控制好管坯的加熱溫度,避免終軋溫度偏高,尤其對于終軋道次變形量較小規(guī)格的管坯尤其重要,以避免混晶組織的產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^正火熱處理方式消除產(chǎn)生的混晶組織。 

（4）37Mn5鋼在熱軋狀態(tài)下的組織一般為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,在熱軋時要避免管坯加熱溫度過高而造成材料的晶粒度粗大以及產(chǎn)生混晶。建議采取正火并控制冷卻速率的熱處理方式消除網(wǎng)狀鐵素體,以提高鋼管的塑性和韌性。

文章來源——材料與測試網(wǎng)