某井 G１０５鉆桿開裂失效分析

陳 猛１,余世杰１,２,袁鵬斌１,龔丹梅１,羅 睿１

(１．上海海隆石油管材研究所,上海 ２００９４９;２．西南石油大學(xué),成都 ６１０５００)

摘 要:通過宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相分析、力學(xué)性能測試、掃描電鏡和能譜分析等方法,對(duì)某井發(fā)生批量開裂的 G１０５鉆桿進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該批鉆桿硬度達(dá)到３３ HRC,遠(yuǎn)高于NACE MR０１７５－２００９對(duì)抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)材料最高硬度要求值２２HRC,鉆桿的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性較高;鉆桿開裂主要為硫化氫應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的脆性開裂,同時(shí)井底存在的CO２ 和Cl－ 加速了其腐蝕進(jìn)程.建議在含有 H２S氣體的環(huán)境下使用抗硫鉆桿進(jìn)行作業(yè),從而有效防止鉆桿發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂.關(guān)鍵詞:G１０５鉆桿;硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂;硬度

中圖分類號(hào):TB３０４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０４３７Ｇ０５

FailureAnalysisonCrackingofG１０５DrillPipesinaWell

CHEN Meng

１,YUShijie１,２,YUANPengbin１,GONGDanmei１,LUORui１

(１．ShanghaiHilongPetroleum TubularGoodsResearchInstitute,Shanghai２００９４９,China;

２．SouthwesternPetroleum University,Chengdu６１０５００,China)

Abstract:ThebatchcrackingcausesofG１０５drillpipesinawellwereanalyzedbymeansofmacroobservation,

chemicalcompositionanalysis,metallographicanalysis,mechanicalpropertytest,scanningelectronmicroscopeandenergy

spectrumanalysisandsoon．Theresultsshowthatthehardnessofthedrillpipereached３３HRCwhichwasmuchhigher

thantherequiredvalueofMRNACE０１７５－２００９(≤２HRC)forthesulfidestresscorrosioncracking(SSCC)resistant

material,sotheSSCCsusceptibilityofthedrillpipeswasveryhigh．Thecrackingofthedrillpipeswasbrittlecracking

mainlycausedbythehydrogensulfidestresscorrosion,andatthesametimeCO２ andCl－１inthewellacceleratedthe

corrosionprocess．ItwassuggestedthatantiＧsulfurdrillpipesshouldbeusedintheenvironmentcontainingH２Sgasto

effectivelypreventthedrillpipesfromhydrogensulfidestresscorrosioncracking．

Keywords:G１０５drillpipe;hydrogensulfidestresscorrosioncracking;hardness

    失效鉆桿在某井用于打撈井底油管,該批鉆桿共有 ２９９ 根,鉆 桿 尺 寸 為 ３Ｇ１/２″(?８８．９mm ×９．３５mm),規(guī)格為１３．３０ppf(１９．７９kg??m－１),鋼級(jí)為G１０５.該批鉆桿在下井之前(２０１４年９月)曾進(jìn)行過檢測,并按照 APISpec５DP－２００９對(duì)剩余壁厚的要求對(duì)其進(jìn)行了分級(jí),見表１,可見約有９０．９７％的鉆桿為優(yōu)級(jí).２０１５年部分油管打撈上來后發(fā)現(xiàn)鉆桿管體縱向開裂,對(duì)該批鉆桿重新檢測分級(jí),大部分鉆桿降為２級(jí)以下,且因開裂報(bào)廢３１根鉆桿.重新檢查開裂鉆桿２０１４年的檢測分級(jí)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)９７．１４％的開裂鉆桿在使用前為優(yōu)質(zhì)級(jí)別,說明鉆桿開裂并非由于磨損引起,可能為腐蝕造成壁厚減薄.開裂失效鉆桿宏觀形貌如圖１所示,可見管體縱向開裂,管 體外壁呈棕黑色,無明顯機(jī)械劃痕且管體未發(fā)生塑性變形.為了查明該批鉆桿開裂原因,避免類似失效再次發(fā)生,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖２ 失效試樣宏觀形貌

Fig.２ Macromorphologyofthefailuresample a failuresamplemorphology b fracturemorphology

c secondarycrackmorphologynearthefracture d fracturemorphologyofthesecondarycrack e corrosionmorphologyoftheinnerwall

１．２ 化學(xué)成分分析

    在鉆桿裂紋附近取樣,采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析.由表２可見,失效鉆桿的化學(xué)成分符合 APISpec５DP－２００９技術(shù)要求.

１．３ 金相分析

根據(jù) GB/T１３２９８－１９９１«金屬顯微組織檢驗(yàn)方法»對(duì)失效鉆桿取樣進(jìn)行金相分析,金相觀察面為橫截面.裂紋由主裂紋和分支裂紋組成,基本貫穿整個(gè)壁厚,見圖３a).裂紋局部形貌呈樹枝狀,且兩側(cè)存在微小的沿晶裂紋,見圖３b).裂紋附近顯微組織為均勻的回火索氏體,無明顯偏析,晶粒度為８．５級(jí),見圖３c).

１．４ 硬度測試

    對(duì)金 相 試 樣 進(jìn) 行 洛 氏 硬 度 測 試.由 表 ３ 可見,裂 紋 附 近 和 遠(yuǎn) 離 裂 紋 端 的 硬 度 相 近,均 為３３HRC左右,遠(yuǎn)高于 NACEMR０１７５－２００９技術(shù)要求:抗 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 (SCC)材 料 硬 度 應(yīng) 小 于２２HRC.

１．５ 力學(xué)性能試驗(yàn)

    按照 ASTM A３７０－２０１２對(duì)失效鉆桿取平行部分 長 度 為 １９．１ mm 的 板 狀 拉 伸 試 樣 和 規(guī) 格 為１０mm×７．５mm×５５mm 的沖擊試樣分別進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn),結(jié)果如表４所示.結(jié)果表明,失效鉆桿的拉伸性能和沖擊吸收能量均符合APISpec５DP－２００９對(duì) G１０５鋼級(jí)鉆桿力學(xué)性能的要求.與交貨時(shí)產(chǎn)品力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)鉆桿在使用后斷后伸長率和沖擊吸收能量都有較大幅度下降。

１．６ 掃描電鏡及能譜分析

    采用掃描電鏡(SEM)對(duì)失效鉆桿斷口及裂紋形貌進(jìn)行觀察分析,斷口微觀形貌呈沿晶冰糖狀,見圖４;裂紋附近存在一些沿晶微裂紋和階梯狀小裂紋,見圖５.將未完全穿透的裂紋打開,斷口亦呈典型的沿晶斷裂形貌,見圖６.初步判斷該鉆桿失效為硫化氫應(yīng)力腐蝕引起的開裂。

２ 分析與討論

    該批鉆桿出現(xiàn)批量開裂事故,且內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重.理化檢驗(yàn)結(jié)果表明,鉆桿化學(xué)成分、力學(xué)性能均符APISpec５DP－２００９技術(shù)要求.裂紋附近的顯微組織為均勻的回火索氏體,晶粒度為８．５級(jí),夾雜物含量評(píng)級(jí)也符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求.因此,排除鉆桿質(zhì)量問題是造成鉆桿開裂和腐蝕主要原因的可能性。

    鉆桿斷口存在人字紋花樣,微觀形貌為典型的沿晶斷口,因此判斷鉆桿開裂為硫化氫應(yīng)力腐蝕引起的脆性開裂.采用金相顯微鏡觀察二次裂紋形貌,發(fā)現(xiàn)主裂紋上有分支小裂紋,另外 SEM 形貌中發(fā)現(xiàn)主裂紋附近存在樹枝狀和階梯狀小裂紋,這些都為 硫 化 物 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 (SSCC)和 氫 致 開 裂(HIC)的主要特征[１Ｇ３].其次,根據(jù)能譜分析結(jié)果,腐蝕產(chǎn)物中含有較多硫元素,鉆桿發(fā)生 H２S腐蝕,產(chǎn)生的氫原子在晶體點(diǎn)陣位錯(cuò)上形成的“釘扎”作用可使材料的塑性降低.而氫原子進(jìn)入材料內(nèi)部的先決條件是材料表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕,如果井內(nèi) H２S分壓達(dá)到 NACE MR０１７５－２００９ 規(guī)定的 ０．３kPa

    即有可能發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕,其反應(yīng)機(jī)理如下:H２S＋Fe→ FexSy ＋２H (１)還原反應(yīng)生成的氫在 H２S催化作用下進(jìn)入基體,加速材料氫脆過程.氫原子一般處于金屬原子之間的空隙中,晶格中發(fā)生原子錯(cuò)排的局部位置稱為位錯(cuò),氫原子易于聚集在位錯(cuò)附近.金屬材料受外力作用時(shí),材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的,在材料內(nèi)部缺陷處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中.在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)散,在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致脆性開裂[４Ｇ５]。

    該批鉆桿為普通 G１０５鋼級(jí)鉆桿,硬度在２８~３３HRC,大于 NACE MR０１７５－２００９對(duì)抗SSC材料最高硬度要求值２２ HRC,因此不適合在含有硫化氫環(huán)境下使用.通過與交貨前鉆桿的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)失效鉆桿的斷后伸長率和沖擊吸收能量均大幅下降,也說明該批鉆桿在含有硫化氫氣體環(huán)境下服役已發(fā)生了一定程度的脆化.井下所打撈的油管無開裂可能是因?yàn)橛凸苡捕鹊陀?G１０５鉆桿的,且無拉力作用,因此不受少量 H２S的影響.此外,能譜分析發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中的碳含量較高,說明井底可能存在 CO２ 氣體,進(jìn)而促使 H２S腐蝕將更加嚴(yán)重,CO２ 溶解于水中形成 H２CO３,將提供更多的 H＋ 參與氫離子去極化反應(yīng),產(chǎn)生氫原子.CO２ 的存在還促進(jìn)了鉆桿內(nèi)壁腐蝕,導(dǎo)致其壁厚減薄,使鉆桿降級(jí).其反應(yīng)過程如下。

CO２ ＋H２O＝H２CO３ (２)

H２CO３ ＋Fe＝FeCO３ ＋２H (３)

    另外,對(duì)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析還發(fā)現(xiàn),銹層中含有較多Cl－ .Cl－ 具有較高的銹層穿透能力,在材料表面形成銹層后,Cl－ 進(jìn)入到銹層/基體界面,對(duì)基體和銹層形成電連接作用,基體下形成陽極區(qū)域,外部可能存在 H２S和 CO２ 氣體為銹層提供充足陰極去極化反應(yīng),易造成大陰極小陽極的腐蝕反應(yīng)條件,從而在基體上形成大量密集腐蝕坑[６Ｇ８].綜上所述,該批鉆桿開裂主要為硫化氫應(yīng)力腐蝕引起的開裂,同時(shí)井底還存在 CO２ 腐蝕,Cl－ 的存在催化加速了腐蝕進(jìn)程。

３ 結(jié)論及建議

    鉆桿失效主要為硫化氫應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的脆性開裂,同 時(shí) 井 底 存 在 的 CO２,Cl－ 加 速 了 其 腐 蝕進(jìn)程。建議在含有 H２S氣體的環(huán)境下使用抗硫鉆桿進(jìn)行作業(yè),從而有效防止鉆桿發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化試驗(yàn)-物理試驗(yàn)）