放噴管線是井控裝置的重要組成部分[1],是應急狀態下節流管匯和壓井管匯下游用來釋放井內流體壓力的管線。放噴管線中的高壓、高速流體攜帶地層巖屑顆粒對管線沖蝕、導致管線刺漏失效,嚴重時發生井噴失控、爆炸、著火等事故[2-5]。受井場面積、設備布局、工藝要求等限制,井控管匯需要通過不同角度的彎管連接,而彎頭處流體對管壁的撞擊及流向的改變會造成流場分布（流速、壓力等）不均,產生紊流和渦流等現象,因此沖刷磨損（磨損腐蝕）是放噴管線的一種常見失效形式。某井在井漏處理過程中出現溢流高套壓,當放噴點火超過24 h時,放噴管線發生了嚴重的刺漏、斷裂現象。為保障鉆井作業的安全運行,減少經濟損失,并防止此類事故再次發生,對放噴管線的失效原因進行了分析。 

1.   理化檢驗與結果

1.1   宏觀形貌分析

從現場共收集5件放噴管線失效樣,詳見表1。其中,1號樣為一端帶短節（短直管）的彎管,短節與彎管通過螺紋連接,彎管管端磨損嚴重,彎管內外弧處壁厚較薄。2號樣為帶法蘭彎管,彎曲部分呈橢圓形,不圓度為87.1%,彎管外弧側有一長52 mm、寬8.2 mm的溝槽,且溝槽由內及外逐漸擴大形成刺漏,其形成趨勢具有方向性。3號樣為帶法蘭短節,銹蝕嚴重,短節螺紋不完整。4號樣為帶法蘭直管,銹蝕嚴重,初步判定其斷裂形式為疲勞撕裂。5號樣為兩端帶短節的彎管,彎管與短節連接部分有呈凹槽形態的裂縫,裂縫呈現由內及外的擴展趨勢,具有方向性。 

1.2   壁厚分析

為了分析管線不同部位的沖刷腐蝕情況,采用TMG-II型透涂層測厚儀測量樣品的壁厚。檢測位置如圖1所示,A、B、C為測點所在截面,在每一個截面按順時針方向1~12點方位分布12個測試點。管線失效件各區域壁厚測試結果如表2所示。相較企業標準Q/SYCQZ 231-2015《井控裝置放噴管線技術要求和試驗方法》規定的標準壁厚,失效件壁厚存在明顯的減薄情況,且減薄不均勻。 

圖  1  壁厚測試點位置

Figure  1.  Location of wall thickness test points: (a) elbow: (b) straight pipe section

1.3   化學成分分析

采用Test Master Pro型直讀光譜儀對失效管線進行化學成分分析,結果如表3所示。結果表明：1號、3號、4號及5號失效樣的碳含量均明顯小于Q/SYCQZ 231-2015標準對于承壓件的要求,這會導致管道表面硬度降低。 

1.4   硬度分析

采用EQUO TIP3型里氏硬度計對失效管線進行硬度檢測,為便于同標準比較,將測得的里氏硬度轉換為布氏硬度,結果如圖2所示。根據Q/SYCQZ 231-2015標準,管體硬度應不低于140 HBW,法蘭硬度應不低于174 HBW。結果表明：1號短節、3號短節、5號管體及左右法蘭的硬度均不滿足承壓件材料硬度的最低要求。 

圖  2  失效管線硬度測試結果

Figure  2.  Hardness test results of failed pipelines: (a) pipes: (b) flanges

1.5   力學性能分析

為分析管線失效后強度及韌性的變化情況,分別利用INSTORON UTM-HYD型電液式萬能材料試驗機及ZBC2302-C型金屬擺錘沖擊試驗機進行拉伸試驗和沖擊試驗,結果如表4所示。拉伸試驗結果表明,1號、3號失效樣的抗拉強度均不滿足Q/SYCQZ 231-2015標準最低要求,2號、4號、5號失效樣的斷后伸長率亦不滿足標準最低要求,可見失效件拉伸性能均不滿足標準最低要求,抵抗斷裂破壞的能力較小。沖擊試驗結果表明,1號、2號、5號失效樣的沖擊韌性不符合標準要求,說明管線變脆傾向變大,易發生脆性斷裂。 

1.6   金相檢查

對管線失效部位進行取制樣,并采用Zeiss Axio Vert A1型金相顯微鏡進行金相檢查,結果如圖3和表5所示。由圖3可知,失效管線材料中存在非金屬夾雜物,金屬基體的連續性被破壞,管線鋼的品質變差[6-7]。由表5可知,失效樣均含有D類夾雜物,夾雜物均為0.5級,尺寸較小不足以導致開裂。1號樣彎管與短節連接處磨損導致連接松動,而彎管直管段晶粒度為7.5級,顯微組織為珠光體+鐵素體,強度與硬度適中,并不脆[8]。2號樣彎管外弧處發生刺漏,而外弧處晶粒度為9.5級,顯微組織為貝氏體+鐵素體,強度與硬度較高,韌性較小,且低溫貝氏體組織中含有較多的殘余奧氏體,如果服役過程中發生應變,會誘發馬氏體相變,使表面呈現出脆性,影響使用壽命[6,9]。5號樣彎管與短節連接處螺紋嚴重腐蝕導致泄漏,而螺紋腐蝕端直管晶粒度為6.0級,顯微組織為珠光體+網狀鐵素體,強度、硬度較低,且網狀鐵素體嚴重割裂了珠光體之間的聯系,使鋼的強度低于正常值,塑性較低,極易變形斷裂[6,10]。 

圖  3  失效管線中夾雜物形貌

Figure  3.  Morphology of inclusions in failed pipelines: (a) elbow straight section of sample No.1: (b) weld of sample No.2: (c) outer arc of sample No.2: (d) weld of sample No.3: (e) left straight pipe section of sample No.5: (f) straight pipe section of sample No.5

1.7   腐蝕斷口形貌分析

采用ZEISS EV0 MA15型掃描電子顯微鏡（SEM）對失效管線斷口腐蝕形貌進行觀察,結果如圖4所示。由圖4可見,2號樣斷口呈條狀花樣,這是流體沖蝕的痕跡,可判定腐蝕流體與金屬表面間發生相對運動,管線內壁產生微小凹槽或溝,在流體不斷沖蝕下微小凹槽或溝逐漸擴大并形成刺漏,因此該失效樣發生了磨損腐蝕[11]。3號樣斷口表面被腐蝕產物堆積,故表面粗糙不平,腐蝕嚴重,除銹后仍然可見腐蝕產物堆積；4號樣斷口邊緣存在裂紋,除銹后表面腐蝕嚴重,粗糙不平；5號樣斷口表面存在流體沖蝕的痕跡,介質長時間腐蝕連接處螺紋,結合宏觀形貌可知,該失效樣同樣發生了磨損腐蝕。 

圖  4  失效管線斷口腐蝕形貌

Figure  4.  Corrosion morphology of fracture of failed pipelines

1.8   腐蝕產物分析

從失效樣表面腐蝕產物取樣,采用能譜儀（EDS）對其元素成分進行分析,結果如表6所示。結果表明,失效樣表面腐蝕產物中含有大量的氧元素,說明其表面發生的腐蝕反應為氧化反應,腐蝕產物應為鐵的氧化物。 

2.   失效原因分析

按照相關標準對放噴管線進行了各項性能檢測,結果表明失效管線理化性能不滿足企業標準最低要求,管線變脆傾向較大,易發生脆性斷裂；但放噴管線晶粒均較細,含有0.5級D類夾雜物,尺寸較小不足以導致開裂。此外,腐蝕形貌及腐蝕產物分析結果表明：2號樣內壁存在凹槽或溝,具有方向性,微觀形貌呈條狀花樣,為典型的磨損腐蝕形貌；5號樣有凹槽形態且呈現由內及外擴展趨勢的裂縫,為磨損腐蝕形貌；3號和4號樣均腐蝕嚴重,腐蝕產物主要為鐵的氧化物。基于以上測試與分析,推測管線發生腐蝕失效的主要原因為：惡劣的工況下高速流動的腐蝕介質與金屬表面相對運動產生磨損腐蝕,引起金屬加速破壞。 

綜合分析：由于長時間放噴,流體不斷沖蝕絲扣連接部分,1號樣和3號樣連接處壁厚減薄,加之連接處兩端金屬的化學成分、硬度、拉伸性能及沖擊韌性均不符合標準要求,抵抗塑性變形能力差,易發生脆性斷裂,造成螺紋連接不穩,繼而脫扣,導致泄漏；2號樣、5號樣管體均受到高速流動流體顆粒的沖擊,管線變脆傾向增大,造成磨損腐蝕或湍流腐蝕,最終發生刺漏,這是流體力學和電化學共同作用對金屬產生破壞的結果；直管刺漏、彎頭斷裂后,直管來回擺動,造成4號樣（直管）斷裂。同時4號樣直管受到流體沖蝕導致壁厚減薄,其化學成分及拉伸性能均不合格,抗塑性變形能力差進一步促進脆性斷裂的發生。 

3.   結論與建議

綜上,高速流動的腐蝕介質與金屬表面相對運動產生磨損腐蝕,引起金屬加速破壞,為此次泄漏的主要原因。為防止此類失效事故再次發生,提出以下建議[12-16]。 

（1）改進設計：加大彎頭曲率半徑,適當增大管徑,減小沖刷力,保證流體處于層流狀態；采用以非金屬為內襯的雙層結構管道；對直管采用防紊流結構,對彎管易發生沖蝕部位進行加厚,或進行整體加厚。 

（2）正確選材：防止出現采用碳鋼替代合金鋼的情況。 

（3）加強科學管理：管道鋪設、更換時必須嚴格按照操作規程,盡量避免產生各種應力,安裝腐蝕監測設施,定期測厚及無損探傷。

文章來源——材料與測試網