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浏览:- 发布日期:2020-08-19 13:28:54【

某井 G105钻杆开裂失效分析

陈 猛1,余世杰1,2,袁鹏斌1,龚丹梅1,罗 睿1

(1.上(shang)海海隆石油管(guan)材研究所(suo),上(shang)海 200949;2.西(xi)南石油大(da)学,成都 610500)

摘 要:通过宏观检验、化学成分分析、金相分析、力学性能测试、扫描电镜和能谱分析等方法,对某井发生批量开裂的 G105钻杆进行了分析.结果表明:该批钻杆硬度达到33 HRC,远高于NACE MR0175-2009对抗硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)材料最高硬度要求值22HRC,钻杆的硫化物应力腐蚀开裂敏感性较高;钻杆开裂主要为硫化氢应力腐蚀而导致的脆性开裂,同时井底存在的CO2 和Cl- 加速了其腐蚀进程.建议在含有 H2S气体的环境下使用抗硫钻杆进行作业,从而有效防止钻杆发生硫化氢应力腐蚀开裂.关键词:G105钻杆;硫化氢应力腐蚀开裂;硬度

中图分类号:TB304 献标志码:B 文章编号: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(shi)效(xiao)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)在(zai)(zai)某井(jing)(jing)用于打(da)捞(lao)井(jing)(jing)底油管(guan)(guan),该批(pi)(pi)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)共(gong)有 299 根,钻(zuan)(zuan) 杆(gan)(gan) 尺(chi) 寸 为(wei) 3G1/2″(?88.9mm ×9.35mm),规格为(wei)13.30ppf(19.79kg??m-1),钢级(ji)为(wei)G105.该批(pi)(pi)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)在(zai)(zai)下井(jing)(jing)之前(qian)(2014年9月)曾进(jin)行过检(jian)测(ce),并按照 APISpec5DP-2009对(dui)剩(sheng)余壁厚(hou)的(de)(de)要求对(dui)其进(jin)行了分(fen)级(ji),见(jian)表1,可(ke)见(jian)约有90.97%的(de)(de)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)为(wei)优级(ji).2015年部分(fen)油管(guan)(guan)打(da)捞(lao)上来后发现钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)管(guan)(guan)体纵向开裂(lie),对(dui)该批(pi)(pi)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)重(zhong)新检(jian)测(ce)分(fen)级(ji),大部分(fen)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)降(jiang)为(wei)2级(ji)以(yi)下,且因(yin)开裂(lie)报(bao)废31根钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan).重(zhong)新检(jian)查(cha)开裂(lie)钻(zuan)(zuan)杆(gan)(gan)2014年的(de)(de)检(jian)测(ce)分(fen)级(ji)情况,结果发现97.14%的开(kai)(kai)(kai)裂钻(zuan)(zuan)杆在使(shi)用前为优质级别,说明(ming)钻(zuan)(zuan)杆开(kai)(kai)(kai)裂并(bing)非(fei)由于磨损引起,可能为腐蚀造成壁厚减薄(bo).开(kai)(kai)(kai)裂失效(xiao)钻(zuan)(zuan)杆宏观形(xing)貌如(ru)图1所示(shi),可见管体纵向开(kai)(kai)(kai)裂,管 体外壁呈棕黑(hei)色,无明(ming)显机械(xie)划痕且(qie)管体未发生(sheng)塑性变形(xing).为了查明(ming)该(gai)批钻(zuan)(zuan)杆开(kai)(kai)(kai)裂原(yuan)因,避(bi)免(mian)类(lei)似失效(xiao)再(zai)次发生(sheng),笔者对其进行了检验和分(fen)析(xi)。

表1 钻杆检测分级结果


1 理化检验

1.1 宏观检验

    从图1上截(jie)取试样,如(ru)图2所(suo)示(shi)(shi).由(you)图2a)可见(jian),裂(lie)纹(wen)(wen)试样沿管体纵向(xiang)和(he)横(heng)向(xiang)两个方向(xiang)贯穿壁(bi)厚,无塑性变(bian)形(xing).观察裂(lie)纹(wen)(wen)断口(kou)(kou),横(heng)截(jie)面断口(kou)(kou)显(xian)(xian)示(shi)(shi)裂(lie)纹(wen)(wen)由(you)内(nei)壁(bi)向(xiang)外壁(bi)扩展,纵截(jie)面断口(kou)(kou)显(xian)(xian)示(shi)(shi)裂(lie)纹(wen)(wen)由(you)外壁(bi)向(xiang)内(nei)壁(bi)扩展,断口(kou)(kou)呈人字(zi)形(xing)和(he)放(fang)射花样,为(wei)典型(xing)脆性断口(kou)(kou),见(jian)图2b).在(zai)横(heng)向(xiang)断口(kou)(kou)上发现一条(tiao)二次扩展裂(lie)纹(wen)(wen),见(jian)图2c),将该裂(lie)纹(wen)(wen)打开后,显(xian)(xian)示(shi)(shi)裂(lie)纹(wen)(wen)由(you)外壁(bi)向(xiang)内(nei)壁(bi)扩 展,断 口(kou)(kou) 人 字(zi) 形(xing) 和(he) 放(fang) 射 花 样 较 为(wei) 明 显(xian)(xian),见(jian)图2d).试(shi)样内壁呈(cheng)黑色,存在较(jiao)为密集(ji)的腐蚀(shi)坑,蚀(shi)坑形貌为宽浅型,内壁无(wu)划(hua)痕和磨损现象,外壁未见明(ming)显(xian)腐蚀(shi)坑,见图2e).宏观观察结果(guo)表明(ming),钻杆失(shi)效为脆性开(kai)裂,加(jia)之其断(duan)口(kou)颜 色 呈(cheng) 黑 褐 色,推 断(duan) 可(ke) 能 为 硫 化 氢 应 力腐蚀(shi) 开(kai) 裂,内 壁 腐 蚀(shi) 严(yan) 重 引 起 壁 厚 减(jian) 薄,钻 杆降级.


图2 失效试样宏观形貌


图2 失(shi)效试(shi)样宏观形貌(mao)

Fig.2 Macromorphologyofthefailuresample a failuresamplemorphology b fracturemorphology

c secondarycrackmorphologynearthefracture d fracturemorphologyofthesecondarycrack e corrosionmorphologyoftheinnerwall


1.2 化学成分分析

    在钻杆裂纹附近取样,采用直读(du)光谱仪进行化(hua)学成分分析.由表2可见,失效钻杆的化(hua)学成分符合 APISpec5DP-2009技术要求.


表2 失效钻杆化学成分(质量分数)


1.3 金(jin)相分析

根据 GB/T13298-1991«金属显微组织检验方法»对失效钻(zuan)杆取(qu)样进行金相(xiang)(xiang)分析,金相(xiang)(xiang)观察面为(wei)横截面.裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)由(you)主(zhu)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)和(he)分支裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)组成,基(ji)本(ben)贯(guan)穿整(zheng)个壁(bi)厚,见图3a).裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)局部形貌呈树枝状(zhuang),且两侧(ce)存(cun)在微小的(de)沿(yan)晶裂(lie)(lie)(lie)纹(wen),见图3b).裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)附近显微组织为(wei)均(jun)匀(yun)的(de)回(hui)火索氏体,无明(ming)显偏析,晶粒度(du)为(wei)8.5级,见图3c).


图3 失效试样裂纹及显微组织形貌


1.4 硬度测试

    对金 相 试(shi) 样 进 行 洛 氏(shi) 硬 度(du) 测 试(shi).由 表(biao) 3 可见,裂(lie) 纹 附(fu) 近(jin) 和 远(yuan) 离 裂(lie) 纹 端 的 硬 度(du) 相 近(jin),均(jun) 为33HRC左右,远(yuan)高(gao)于(yu)(yu) NACEMR0175-2009技术要求:抗 应 力(li) 腐 蚀 开 裂(lie) (SCC)材 料 硬 度(du) 应 小 于(yu)(yu)22HRC.

表3 失效钻杆硬度测试结果


1.5 力学性能试验

    按照 ASTM A370-2012对失效钻(zuan)杆(gan)(gan)取平行(xing)部(bu)分(fen) 长 度(du) 为(wei) 19.1 mm 的 板 状 拉 伸(shen) 试 样 和(he)(he) 规(gui) 格 为(wei)10mm×7.5mm×55mm 的冲(chong)击试样分(fen)别进行(xing)拉伸(shen)和(he)(he)冲(chong)击试验(yan),结果如表4所示.结果表明,失效钻(zuan)杆(gan)(gan)的拉伸(shen)性能(neng)(neng)(neng)和(he)(he)冲(chong)击吸收能(neng)(neng)(neng)量(liang)均符(fu)合APISpec5DP-2009对 G105钢级钻(zuan)杆(gan)(gan)力学性能(neng)(neng)(neng)的要求.与交货时产品力学性能(neng)(neng)(neng)进行(xing)对比,发现钻(zuan)杆(gan)(gan)在使用后断后伸(shen)长率(lv)和(he)(he)冲(chong)击吸收能(neng)(neng)(neng)量(liang)都有较大幅度(du)下(xia)降。


1.6 扫描电镜及能谱分析

    采用扫描电镜(jing)(SEM)对(dui)失效钻杆断(duan)口及(ji)裂(lie)纹(wen)形(xing)貌(mao)进行观察分(fen)析,断(duan)口微观形(xing)貌(mao)呈沿晶冰(bing)糖(tang)状,见图(tu)(tu)4;裂(lie)纹(wen)附近(jin)存在一些沿晶微裂(lie)纹(wen)和阶(jie)梯状小(xiao)裂(lie)纹(wen),见图(tu)(tu)5.将未完全(quan)穿透的(de)裂(lie)纹(wen)打(da)开,断(duan)口亦呈典型的(de)沿晶断(duan)裂(lie)形(xing)貌(mao),见图(tu)(tu)6.初步判断(duan)该钻杆失效为硫化氢应力腐蚀引起的(de)开裂(lie)。


对钻(zuan)杆内壁腐蚀坑内产(chan)物进行(xing)能(neng)(neng)谱(EDS)分(fen)析,结(jie)果表明硫、氯等腐蚀性(xing)元素含量均较高,见图7和表5.由此判断,井底(di)可能(neng)(neng)含有 H2S和CO2 气体。

表4 力学性能试验结果

图4 断口SEM 形貌



2 分析与讨论

    该批钻(zuan)杆出(chu)现批量开裂(lie)事(shi)故,且内壁腐(fu)蚀(shi)严重.理化(hua)检验结果表明,钻(zuan)杆化(hua)学成分(fen)、力(li)学性能均符APISpec5DP-2009技(ji)术要求.裂(lie)纹附近的显微组(zu)织为(wei)均匀的回火索(suo)氏体(ti),晶粒(li)度为(wei)8.5级,夹杂物(wu)含量评级也符合(he)标准技(ji)术要求.因(yin)此,排除(chu)钻(zuan)杆质量问题(ti)是造成钻(zuan)杆开裂(lie)和腐(fu)蚀(shi)主要原因(yin)的可能性。


图5 主裂纹周边小裂纹形貌

图6 裂纹打开后断口形貌

表5 EDS分析结果(质量分数)


    钻杆断(duan)口存在人字纹花(hua)样,微观形貌为典(dian)型的(de)沿晶断(duan)口,因此判断(duan)钻杆开(kai)裂(lie)为硫化氢应力腐蚀引起(qi)的(de)脆性开(kai)裂(lie).采用(yong)金相显微镜观察(cha)二次裂(lie)纹形貌,发现(xian)主裂(lie)纹上有分支小裂(lie)纹,另外 SEM 形貌中发现(xian)主裂(lie)纹附近存在树枝(zhi)状和阶梯状小裂(lie)纹,这些都为 硫(liu) 化 物(wu) 应 力 腐(fu)(fu) 蚀(shi) 开 裂 (SSCC)和 氢 致 开 裂(HIC)的(de)主要特征[1G3].其次,根据能谱(pu)分析结果,腐(fu)(fu)蚀(shi)产(chan)物(wu)中含有较(jiao)多硫(liu)元素(su),钻杆发生 H2S腐(fu)(fu)蚀(shi),产(chan)生的(de)氢原子在(zai)晶体点阵位(wei)错上(shang)形(xing)成(cheng)的(de)“钉扎(zha)”作(zuo)用可(ke)使材(cai)料的(de)塑(su)性降(jiang)低.而氢原子进入材(cai)料内部的(de)先(xian)决(jue)条件(jian)是材(cai)料表(biao)面发生电化学腐(fu)(fu)蚀(shi),如果井内 H2S分压达(da)到 NACE MR0175-2009 规定的(de) 0.3kPa

    即有可(ke)能发(fa)生(sheng)硫(liu)化氢(qing)(qing)(qing)(qing)应(ying)(ying)(ying)力腐蚀,其反(fan)应(ying)(ying)(ying)机理如下:H2S+Fe→ FexSy +2H (1)还原(yuan)反(fan)应(ying)(ying)(ying)生(sheng)成的(de)(de)氢(qing)(qing)(qing)(qing)在(zai) H2S催(cui)化作用(yong)下进(jin)入基体(ti),加速材(cai)料(liao)氢(qing)(qing)(qing)(qing)脆过程(cheng).氢(qing)(qing)(qing)(qing)原(yuan)子(zi)一般(ban)处(chu)于金(jin)属(shu)原(yuan)子(zi)之间的(de)(de)空隙中(zhong)(zhong),晶格中(zhong)(zhong)发(fa)生(sheng)原(yuan)子(zi)错(cuo)(cuo)排的(de)(de)局部位(wei)置(zhi)称为位(wei)错(cuo)(cuo),氢(qing)(qing)(qing)(qing)原(yuan)子(zi)易于聚集(ji)(ji)(ji)在(zai)位(wei)错(cuo)(cuo)附近.金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)受外力作用(yong)时,材(cai)料(liao)内部的(de)(de)应(ying)(ying)(ying)力分布是不均匀的(de)(de),在(zai)材(cai)料(liao)内部缺陷(xian)处(chu)会发(fa)生(sheng)应(ying)(ying)(ying)力集(ji)(ji)(ji)中(zhong)(zhong).在(zai)应(ying)(ying)(ying)力梯度作用(yong)下氢(qing)(qing)(qing)(qing)原(yuan)子(zi)在(zai)晶格内跟随位(wei)错(cuo)(cuo)运(yun)动向应(ying)(ying)(ying)力集(ji)(ji)(ji)中(zhong)(zhong)区域(yu)扩散,在(zai)高(gao)氢(qing)(qing)(qing)(qing)区会萌生(sheng)出裂纹并扩展,导致(zhi)脆性开裂[4G5]。

    该批钻(zuan)杆为普(pu)通(tong) G105钢级钻(zuan)杆,硬(ying)度在(zai)(zai)28~33HRC,大于 NACE MR0175-2009对(dui)抗SSC材料最高硬(ying)度要求(qiu)值(zhi)22 HRC,因此不适合在(zai)(zai)含有硫(liu)(liu)化氢环(huan)境(jing)(jing)下(xia)使用.通(tong)过与交货前钻(zuan)杆的力学性(xing)能(neng)进行对(dui)比,发(fa)现失效钻(zuan)杆的断后伸长率和冲击(ji)吸收能(neng)量均大幅下(xia)降,也说明该批钻(zuan)杆在(zai)(zai)含有硫(liu)(liu)化氢气体环(huan)境(jing)(jing)下(xia)服役(yi)已发(fa)生(sheng)了(le)一(yi)定程度的脆化.井下(xia)所(suo)打捞(lao)的(de)油(you)管无开裂可能(neng)是因为油(you)管硬(ying)度低于 G105钻(zuan)杆(gan)(gan)的(de),且无拉力作(zuo)用,因此(ci)(ci)不受少量(liang)(liang) H2S的(de)影响.此(ci)(ci)外,能(neng)谱(pu)分析发现腐蚀(shi)产物中的(de)碳(tan)含(han)量(liang)(liang)较高,说明井底可能(neng)存在 CO2 气体,进(jin)而(er)促使 H2S腐蚀(shi)将更加严重,CO2 溶解于水中形(xing)成 H2CO3,将提供更多(duo)的(de) H+ 参与氢离(li)子去极(ji)化反应,产生氢原子.CO2 的(de)存在还(hai)促进(jin)了钻(zuan)杆(gan)(gan)内(nei)壁腐蚀(shi),导致其(qi)壁厚减薄,使(shi)钻(zuan)杆降(jiang)级(ji).其反应过程如(ru)下。

CO2 +H2O=H2CO3 (2)

H2CO3 +Fe=FeCO3 +2H (3)

    另(ling)外,对(dui)腐(fu)(fu)蚀(shi)产(chan)物的(de)(de)能(neng)谱分析(xi)还发现(xian),锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)中(zhong)含有(you)较多Cl- .Cl- 具(ju)有(you)较高(gao)的(de)(de)锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)穿透(tou)能(neng)力(li)(li),在材料表面形成(cheng)锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)后,Cl- 进(jin)入到锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)/基体界面,对(dui)基体和锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)形成(cheng)电(dian)连接作用,基体下形成(cheng)阳极区(qu)域,外部可能(neng)存(cun)在 H2S和 CO2 气体为锈(xiu)(xiu)层(ceng)(ceng)提供充足阴极去(qu)极化反(fan)应,易造成(cheng)大阴极小阳极的(de)(de)腐(fu)(fu)蚀(shi)反(fan)应条件,从而在基体上形成(cheng)大量密集腐(fu)(fu)蚀(shi)坑[6G8].综上所述,该批(pi)钻杆开裂(lie)主要为硫化氢应力(li)(li)腐(fu)(fu)蚀(shi)引起(qi)的(de)(de)开裂(lie),同(tong)时井(jing)底还存(cun)在 CO2 腐(fu)(fu)蚀(shi),Cl- 的(de)(de)存(cun)在催化加速了腐(fu)(fu)蚀(shi)进(jin)程(cheng)。

3 结论及建议

    钻杆失(shi)效(xiao)主要为(wei)硫(liu)化氢应力腐(fu)蚀而(er)导致的脆性开裂,同 时 井 底 存 在 的 CO2,Cl- 加 速 了 其 腐(fu) 蚀进(jin)程(cheng)。建议(yi)在含有 H2S气体的环境(jing)下使用抗(kang)硫(liu)钻杆进(jin)行作业,从而(er)有效(xiao)防止(zhi)钻杆发(fa)生(sheng)硫(liu)化氢应力腐(fu)蚀开裂。

(文章来源:材料与测试网-理化试验-物理试验)

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