圖 1同心測調工作筒斷裂件與完好件外觀
注水工藝是提高海上油田油藏采收率的重要措施，其能夠保持油層的壓力，在海上油田開發中占有重要地位[1]。同心智能分層注水技術廣泛應用于海上油田注水工藝，該系統總體結構包括井下分層注水測調儀器、同心測調工作筒、地面控制器及數據處理系統[2]。同心測調工作筒是井下工具，是同心智能分層注水技術的重要組成部分，其一旦發生斷裂，會直接影響注水效果，還會影響油田的正常生產作業[3]。
某海上油田注水井于2020年9月8日下入同心測調工具，該井于2021年1月27日投入注水。所處儲層溫度為125~135 ℃。2023年4月，該井進行動管柱作業，取出井下工具，發現井下第4層同心測調工作筒斷裂。同心測調工作筒斷裂件與完好件外觀如圖1所示。
經查閱相關資料，該同心測調工作筒的材料為17-4 PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）不銹鋼，熱處理工藝為 1 040 ℃ 固溶處理和 550 ℃時效處理，冷卻方式為空冷。17-4PH不銹鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼, 具有高強度和優異的耐腐蝕性、抗氧化性等特點, 被廣泛應用于石油化工、海洋裝備、核工業等領域[4-7]。
筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該17-4PH不銹鋼同心測調工作筒的斷裂原因，結果可對17-4PH不銹鋼井下工具設計及制造提供建議與經驗支持。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
返回的同心測調工作筒試樣宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：試樣外壁呈黑褐色，無明顯腐蝕缺陷；斷口處顯示斷裂位置為同心測調工作筒的上接頭與外筒連接螺紋的根部，斷口圓周方向80%較平坦，而剩余部分相對粗糙。用石油醚清洗斷口，再用乙醇超聲清洗，再觀察試樣，可見斷口無腐蝕現象，表面有金屬光澤；斷口存在局部被擠壓和磨損的痕跡，同時存在發亮區域（見圖3）。查閱設計資料可知，該處螺紋根部的刀槽深度為4 mm、底角半徑為1 mm，一般在螺紋根部不連續的區域易產生應力集中[8]。
圖 2同心測調工作筒試樣宏觀形貌
圖 3同心測調工作筒斷口清洗后的低倍形貌
在體視顯微鏡下觀察斷口，結果如圖3所示。由圖3可知：在靠近斷口外壁螺紋邊沿有放射性的棱線，其匯聚于機械加工臺階邊緣位置（外壁螺紋附近），呈疲勞斷裂的形貌特點[9-11]。該斷裂源區位于外壁邊沿的螺紋根部，大部分區域為疲勞擴展區，在擴展區可看到裂紋擴展的方向，其收斂位置均指向了斷裂源區方向。
1.2 掃描電鏡（SEM）與能譜分析
將上述試樣斷口置于掃描電鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：斷口邊沿斷裂源區位置可見放射狀棱線，并收斂于螺紋邊沿[見圖4（a）]；在螺紋邊沿可見明顯的加工刀痕，且加工刀痕附近存在微裂紋，多條平行的加工刀痕位于斷裂源區附近[見圖4（b），4（c）]；斷裂源區附近可見解理平面及沿晶裂紋等脆性斷裂特征[見圖4（d），4（e）]，裂紋由斷裂源區沿著周向瞬斷區擴展。在疲勞擴展的后期，觀察到疲勞弧線及沿晶二次裂紋[見圖4（f）]。據此判定斷裂機制是解理的脆性疲勞斷裂[12]，斷裂起源于外表面的機械加工刀痕。對斷口較光亮位置進行觀察，發現該位置存在機械損傷痕跡，利用掃描電鏡附帶的能譜儀對該位置進行分析，發現該位置主要含有O、Mg、Al、K、Ca、Si、Cr、Ni、Cu等元素，其中O、Mg、Al、K、Ca元素為損傷時引入的，未發現較敏感元素Cl、S等。
圖 4同心測調工作筒斷口SEM形貌
1.3 化學成分分析
對該斷裂件及同時間下井的其他同心工作筒完好件進行取樣，按照標準GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，采用直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：兩個試樣的化學成分符合標準GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》的要求。
Table 1.同心測調工作筒斷裂件及完好件的化學成分分析結果
17-4PH不銹鋼中各種元素的主要作用為：Cr元素能夠大幅提升材料的耐腐蝕性和淬透性；Ni元素可提升材料的韌性，并使材料的力學性能更加穩定；Cu元素是使17-4PH不銹鋼沉淀硬化的主要元素，生成沉淀硬化相ε-Cu，有利于提高鋼的強度和硬度；Nb元素能夠配合生成沉淀硬化相NbC，少量粒狀NbC相的析出不僅可起到析出強化的作用，還抑制了Cr元素的析出，從而增強了鋼的耐腐蝕性，且材料強度提高[13]。
1.4 力學性能測試
1.4.1 硬度測試
按照GB/ T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用洛氏硬度計分別測試斷裂件與完好件的硬度，結果如表2所示。由表2可知：兩個試樣的硬度符合GB/T 1220—2007的35~40 HRC要求。17-4PH不銹鋼中添加了大量的Cu等沉淀強化元素，組織上析出富銅的ε相而使其強化，且在550 ℃時效處理條件下，其硬度達到標準要求。
Table 2.同心測調工作筒斷裂件及完好件的硬度測試結果
1.4.2 拉伸試驗
使用雙立柱萬能試驗機對斷裂件和完好件進行縱向取樣，斷裂件試樣編號為1，2號，完好件試樣編號為3，4號。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試樣進行拉伸試驗，結果如表3所示。由表3可知：材料的抗拉強度及屈服強度符合GB/T 1220—2007中550 ℃時效處理后材料性能的要求。
Table 3.同心測調筒斷裂件及完好件試樣的拉伸試驗結果
1.4.3 沖擊試驗
使用擺錘沖擊試驗機對斷裂件與同時下井的完好件進行橫向取樣，斷裂件編號為5,6,7號，完好件編號為8,9,10號。試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度），缺口形狀為V型。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行沖擊試驗，5~10號試樣的沖擊吸收能量分別為44，46，47，50，48，47 J，說明材料的沖擊性能符合GB/T 1220—2007的要求（沖擊吸收能量平均值不小于20 J）。
1.5 金相檢驗
對斷裂件試樣斷口附近及同時下井的完好工具件的相同位置進行取樣，然后將試樣進行鑲嵌、預磨、拋光，再置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖5所示。斷裂件試樣中非金屬夾雜物被評為A類粗系2.5級，D類細系1.5級；完好件試樣中非金屬夾雜物被評為C類粗系1.5級。按照CB/T 1209—1992《0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）馬氏體沉淀硬化不銹鋼金相檢驗》，用F試劑腐蝕試樣，再將腐蝕后試樣置于光學顯微鏡下觀察。發現斷裂件試樣的顯微組織為馬氏體和少量條狀鐵素體，同時也存在少量淺褐色殘留奧氏體；完好試樣的顯微組織為回火馬氏體+高溫鐵素體。與馬氏體相比，條狀鐵素體的存在破壞了基體組織的均勻性，鐵素體具有良好的韌性與塑性，但強度和硬度低，斷裂件試樣的顯微組織存在一定的不均勻性。
圖 5斷裂件和完好件試樣的微觀形貌
2. 綜合分析
該17-4PH不銹鋼同心工作筒的疲勞源起始于螺紋根部機械加工刀痕位置，裂紋由疲勞源區沿著圓周方向向瞬斷區擴展，斷裂源區附近可以觀察到放射棱線，擴展區域可以觀察到疲勞弧線，判斷斷口為疲勞斷裂斷口。
斷裂源區可見多條明顯的機械加工刀痕及微裂紋，疲勞擴展區可以觀察到疲勞弧線和沿晶二次裂紋形貌。因此判斷該工作筒發生脆性疲勞斷裂，斷裂起始源與螺紋根部的機械加工刀痕有關，機械加工刀痕容易造成應力集中[14-16]，該斷裂位置即應力集中處。
斷裂件的化學成分符合標準要求，其硬度、拉伸及沖擊性能均符合標準要求，其顯微組織為馬氏體和鐵素體，未發現明顯異常。
根據該井井史記錄，其在服役期間存在多次酸化解堵的處理過程，且在修井過程中存在工具串遇卡的情況，經過上提與下放，并進行振擊處理后，可以實現上提管柱。由此可見，管柱串在上提過程中所受的拉應力大于平時靜止階段，且修井過程中管柱受到上下不同載荷的應變作用力。
3. 結論及建議
（1）測調筒斷裂件的斷裂機制為脆性疲勞斷裂，裂紋起始于螺紋根部的機械加工刀痕，該位置在服役過程中容易產生應力集中，在拉力載荷的作用下，裂紋沿著周向擴展，直至筒體斷裂。
（2）建議后期設計過程中優化螺紋根部的臺階過渡結構，盡量避免加工刀痕導致應力集中過大的現象。
文章來源——材料與測試網