摘 要:在某油田下井作業(yè)時(shí),一支 N80-1鋼加厚油管在加厚部位突然斷裂。通過幾何尺寸測 量、宏觀分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了該油管加厚部位斷裂的原因。結(jié) 果表明:油管加厚部位斷裂為低應(yīng)力脆斷,主要原因是管坯鑄造缺陷改變了油管內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng) 力分布;加厚油管的拉伸性能和管體外徑均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、加厚部位壁厚不均、管體軋疤缺陷和 環(huán)狀凹面是該加厚油管斷裂的次要原因;在主、次要原因的共同作用下,使得油管在遠(yuǎn)低于額定最 小破斷拉力的重力作用下發(fā)生脆性斷裂。
關(guān)鍵詞:加厚油管;斷裂;低應(yīng)力;鑄造缺陷
中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0067-05
API外加厚油管由于管端壁厚的增加,其連接 強(qiáng)度較同規(guī)格的非外加厚油管得到了提高,應(yīng)用也 較為廣泛[1]。在某油田油管下井作業(yè)過程中,一支 規(guī)格為?88.90 mm×6.45 mm 的 N80-1鋼加厚油 管坐在井口吊卡上時(shí),管體加厚部位突然發(fā)生斷裂, 接箍從吊卡上彈出,其下部油管(共計(jì)351支)全部 掉入井中,質(zhì)量約為48.57t。該油管加厚部位管體 額定最小破斷拉力(額定最小抗拉強(qiáng)度×公稱橫截 面積)為1230.9kN,SY/T6417-2016《套管、油管 和鉆桿使用性能》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定該規(guī)格加厚油管管體 的額定抗拉載荷為921.6kN,該油管斷裂時(shí)承重約 為加厚部位管體額定最小破斷拉力的 39.5%。為 了找出該加厚油管斷裂的原因,筆者進(jìn)行了一系列 檢驗(yàn)和分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 幾何尺寸測量
根據(jù) APISPEC5CT-2018《油管和套管》標(biāo)準(zhǔn) 要求,對該油管管體和加厚部位的幾何尺寸進(jìn)行測 量,沿管體縱向每50mm 測量一次,測量位置示意 如圖1所示。圖中b 為加厚過渡區(qū)長度;c 為平滑區(qū)長度;NL 為接箍長度;a 為標(biāo)準(zhǔn)接箍承載面寬度; Dc 為加厚過渡區(qū)起始處管體外徑;D 為不加厚部位 管體外徑;d 為不加厚部位管體壁厚;Da 為加厚部位 管體外徑;Leu 為管端到加厚過渡區(qū)結(jié)束處長度(加厚 區(qū));La 為管端到加厚過渡區(qū)起始處長度;Lb 為管端 到平滑區(qū)起始處長度;Q 為鏜孔直徑;W 為接箍外徑。 由表1可見,該油管加厚部位及管體外徑均大于標(biāo)準(zhǔn) 要求的上限值,且存在壁厚不均現(xiàn)象。
1.2 宏觀分析
如圖2所示:加厚油管接箍端斷口未發(fā)生塑性 變形,斷口整體呈脆性斷裂特征,除圖1a)中的黑色 光亮區(qū)(區(qū)域Ⅰ)略有凸起之外,其他位置較為平整, 可見人字紋花樣,黑色光亮區(qū)表面光滑且有光澤,約 占管體橫截面積的10%;油管斷口黑色光亮區(qū)油管 內(nèi)表面可見明顯的縱向裂紋,裂紋延伸至油管端部, 裂紋處可見明顯凹槽;油管端部可見凹坑,深度可達(dá) 2mm;與黑色光亮區(qū)呈90°夾角的分層區(qū)(區(qū)域Ⅱ) 沿壁厚方向呈分層狀,該區(qū)域由靠近外壁約2/3壁 厚處的臺(tái)階狀斷面和靠近內(nèi)壁1/3壁厚的棱狀斷面 組成,整體呈中間高、兩邊低的形貌,表面光滑;分層 區(qū)油管內(nèi)表面可見沿管體縱向擴(kuò)展的裂紋,該裂紋 未貫穿整個(gè)壁厚。
采用滲透探傷法對加厚油管接箍端的螺紋部位 進(jìn)行檢測。如圖3所示,斷口除黑色光亮區(qū)延伸出 裂紋外,分層區(qū)也可見沿縱向擴(kuò)展的裂紋,該條裂紋 僅在油管內(nèi)表面可見,未貫穿整個(gè)壁厚。
如圖4所示,加厚油管管體端斷口的宏觀形貌 與接箍端的相似,可見黑色光亮區(qū)和分層區(qū)。將斷 裂加厚油管管體端沿軸向剖開,可見黑色光亮區(qū)油 管內(nèi)表面有舌狀軋疤,距離斷口約10cm 處可見環(huán) 狀凹面,應(yīng)為加厚工藝過程中形成的缺陷。
1.3 化學(xué)成分分析
對該加厚油管進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表2, 可知該加厚油管的化學(xué)成分滿足 APISPEC5CT2018標(biāo)準(zhǔn)的要求。
1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)
1.4.1 拉伸試驗(yàn)
分別從該加厚油管的加厚部位和管體截取尺寸 為?5mm×25mm 的棒狀拉伸試樣(分別記為加厚區(qū)棒樣和管體棒樣),另在管體位置處截取尺寸為 19mm×50.8mm 的板狀拉伸試樣(記為管體板樣), 對其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由表3可見,僅加厚區(qū)棒樣的拉 伸性能滿足 APISPEC5CT-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4.2 沖擊試驗(yàn)
從加厚油管的加厚部位和管體截取試樣,進(jìn)行 縱向夏比 V 型缺口沖擊試驗(yàn),加厚部位沖擊試樣尺 寸為10mm×7.5mm×55mm(3/4尺寸試樣),管 體沖擊試樣尺寸為10mm×5mm×55mm(1/2尺 寸試樣),試驗(yàn)溫度均為0℃,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示, 可見該加厚油管的沖擊性能符合 APISPEC5CT2018標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.5 掃描電鏡及能譜分析
對加厚油管接箍端斷口的黑色光亮區(qū)、分層區(qū) 及管體端軋疤缺陷進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖 5所示:黑色光亮區(qū)域由發(fā)黑區(qū)和啞光區(qū)組成,其中 啞光區(qū)呈典型的脆性斷裂特征,可見河流狀花樣,夾 雜物較多;發(fā)黑區(qū)較為平整,未見夾雜物等缺陷。如 圖6和圖7所示,油管接箍端斷口處裂紋沿管體縱 向擴(kuò)展至管端部,且油管內(nèi)表面裂紋附近有大量夾 雜物,能譜分析結(jié)果表明,該處夾雜物種類較多,除 碳、氧、硅、錳元素以外,還有磷、硫、鋁、鈦等元素,夾 雜物是在管坯冶煉過程中形成的。
在加厚油管接箍端斷口分層區(qū)截取縱向試樣, 進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖8所示,夾層兩邊 組織不連續(xù),存在裂紋,裂紋中間可見含氧、硅、錳元 素的夾雜物,該夾雜物是在鑄坯冶煉過程中產(chǎn)生的。
在加厚油管管體端舌狀軋疤處截取縱向試樣, 進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。如圖9所示:軋疤處裂 紋起始位置檢測到氧、硅、錳元素,裂紋末端兩側(cè)金 屬已經(jīng)結(jié)合,部分金屬與基體結(jié)合不連續(xù),仍可見孔 洞;對裂紋起始位置進(jìn)行碳元素分析,裂紋處未出現(xiàn) 脫碳現(xiàn)象,說明該裂紋不是在鑄造過程中形成的,而 是鑄坯中存在的鑄造缺陷導(dǎo)致軋制時(shí)金屬流動(dòng)性差 而產(chǎn)生的軋疤缺陷,軋疤缺陷不是造成此次事故的 主要原因。
加厚油管管體端內(nèi)表面環(huán)狀凹面應(yīng)為加厚過 程中產(chǎn)生的[2-4]。一般情況下,環(huán)狀凹面的形成與 加熱溫度和 加 熱 時(shí) 間 有 關(guān),加 熱 溫 度 越 低 或 加 熱 時(shí)間越短,金屬的流動(dòng)性就越差,金屬不能完全聚 集、變形,而 產(chǎn) 生 環(huán) 狀 凹 面。綜 上 所 述,環(huán) 狀 凹 面 為加厚過程 中 產(chǎn) 生 的,不 是 造 成 此 次 斷 裂 事 故 的 直接原因。
2 分析與討論
結(jié)構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆斷時(shí),不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑 性變形,斷口呈脆性斷裂特征,斷口無結(jié)晶狀形貌, 結(jié)構(gòu)件中的宏觀裂紋缺陷是導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷的主要 原因。裂紋會(huì)破壞材料的連續(xù)性,改變材料內(nèi)部的 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布,使結(jié)構(gòu)件在應(yīng)力水平較低或 低于材料屈服強(qiáng)度情況下發(fā)生斷裂。該油管斷裂時(shí) 承重約為加厚部位管體額定最小破斷拉力的 39. 5%,加厚部位早期斷裂為低應(yīng)力脆斷,斷口平齊,呈 脆性斷口特征,斷口處裂紋內(nèi)存在大量的夾雜物,裂 紋貫穿壁厚,且該油管中存在嚴(yán)重的鑄造缺陷。綜 上所述,鑄造缺陷導(dǎo)致的低應(yīng)力脆斷是該加厚油管 斷裂的主要原因。
加厚油管的拉伸性能和管體外徑均不滿足標(biāo)準(zhǔn) 要求、管體加厚部位壁厚不均、管體軋疤缺陷和環(huán)狀 凹面是該加厚油管斷裂的次要因素。
3 結(jié)論
該油管加厚部位異常斷裂的主要原因是管坯鑄 造缺陷改變了油管內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布,加厚 油管的拉伸性能和管體外徑均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、管 體加厚部位壁厚不均、管體軋疤缺陷和環(huán)狀凹面是 該加厚油管失效的次要原因。在主、次要原因的共 同作用下,使油管在遠(yuǎn)低于最小破斷拉力的重力作 用下發(fā)生脆性斷裂。
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