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,成都 ６１０５００)
摘 要:通過宏觀檢驗、化學成分分析、金相分析、力學性能測試、掃描電鏡和能譜分析等方法,對某井發(fā)生批量開裂的 G１０５鉆桿進行了分析.結果表明:該批鉆桿硬度達到３３ HRC,遠高于NACE MR０１７５－２００９對抗硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)材料最高硬度要求值２２HRC,鉆桿的硫化物應力腐蝕開裂敏感性較高;鉆桿開裂主要為硫化氫應力腐蝕而導致的脆性開裂,同時井底存在的CO２ 和Cl－ 加速了其腐蝕進程.建議在含有 H２S氣體的環(huán)境下使用抗硫鉆桿進行作業(yè),從而有效防止鉆桿發(fā)生硫化氫應力腐蝕開裂.關鍵詞:G１０５鉆桿;硫化氫應力腐蝕開裂;硬度
中圖分類號:TB３０４ 文獻標志碼:B 文章編號: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),鋼級為G１０５.該批鉆桿在下井之前(２０１４年９月)曾進行過檢測,并按照 APISpec５DP－２００９對剩余壁厚的要求對其進行了分級,見表１,可見約有９０．９７％的鉆桿為優(yōu)級.２０１５年部分油管打撈上來后發(fā)現(xiàn)鉆桿管體縱向開裂,對該批鉆桿重新檢測分級,大部分鉆桿降為２級以下,且因開裂報廢３１根鉆桿.重新檢查開裂鉆桿２０１４年的檢測分級情況,結果發(fā)現(xiàn)９７．１４％的開裂鉆桿在使用前為優(yōu)質級別,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,筆者對其進行了檢驗和分析。
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢驗
從圖１上截取試樣,如圖２所示.由圖２a)可見,裂紋試樣沿管體縱向和橫向兩個方向貫穿壁厚,無塑性變形.觀察裂紋斷口,橫截面斷口顯示裂紋由內壁向外壁擴展,縱截面斷口顯示裂紋由外壁向內壁擴展,斷口呈人字形和放射花樣,為典型脆性斷口,見圖２b).在橫向斷口上發(fā)現(xiàn)一條二次擴展裂紋,見圖２c),將該裂紋打開后,顯示裂紋由外壁向內壁擴 展,斷 口 人 字 形 和 放 射 花 樣 較 為 明 顯,見圖２d).試樣內壁呈黑色,存在較為密集的腐蝕坑,蝕坑形貌為寬淺型,內壁無劃痕和磨損現(xiàn)象,外壁未見明顯腐蝕坑,見圖２e).宏觀觀察結果表明,鉆桿失效為脆性開裂,加之其斷口顏 色 呈 黑 褐 色,推 斷 可 能 為 硫 化 氫 應 力腐蝕 開 裂,內 壁 腐 蝕 嚴 重 引 起 壁 厚 減 薄,鉆 桿降級.
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 化學成分分析
在鉆桿裂紋附近取樣,采用直讀光譜儀進行化學成分分析.由表２可見,失效鉆桿的化學成分符合 APISpec５DP－２００９技術要求.
１．３ 金相分析
根據(jù) GB/T１３２９８－１９９１«金屬顯微組織檢驗方法»對失效鉆桿取樣進行金相分析,金相觀察面為橫截面.裂紋由主裂紋和分支裂紋組成,基本貫穿整個壁厚,見圖３a).裂紋局部形貌呈樹枝狀,且兩側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,見圖３c).
１．４ 硬度測試
對金 相 試 樣 進 行 洛 氏 硬 度 測 試.由 表 ３ 可見,裂 紋 附 近 和 遠 離 裂 紋 端 的 硬 度 相 近,均 為３３HRC左右,遠高于 NACEMR０１７５－２００９技術要求:抗 應 力 腐 蝕 開 裂 (SCC)材 料 硬 度 應 小 于２２HRC.
１．５ 力學性能試驗
按照 ASTM A３７０－２０１２對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 的沖擊試樣分別進行拉伸和沖擊試驗,結果如表４所示.結果表明,失效鉆桿的拉伸性能和沖擊吸收能量均符合APISpec５DP－２００９對 G１０５鋼級鉆桿力學性能的要求.與交貨時產品力學性能進行對比,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)對失效鉆桿斷口及裂紋形貌進行觀察分析,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,且內壁腐蝕嚴重.理化檢驗結果表明,鉆桿化學成分、力學性能均符APISpec５DP－２００９技術要求.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,夾雜物含量評級也符合標準技術要求.因此,排除鉆桿質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 力 腐 蝕 開 裂 (SSCC)和 氫 致 開 裂(HIC)的主要特征[１Ｇ３].其次,根據(jù)能譜分析結果,腐蝕產物中含有較多硫元素,鉆桿發(fā)生 H２S腐蝕,產生的氫原子在晶體點陣位錯上形成的“釘扎”作用可使材料的塑性降低.而氫原子進入材料內部的先決條件是材料表面發(fā)生電化學腐蝕,如果井內 H２S分壓達到 NACE MR０１７５－２００９ 規(guī)定的 ０．３kPa
即有可能發(fā)生硫化氫應力腐蝕,其反應機理如下:H２S＋Fe→ FexSy ＋２H (１)還原反應生成的氫在 H２S催化作用下進入基體,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)生原子錯排的局部位置稱為位錯,氫原子易于聚集在位錯附近.金屬材料受外力作用時,材料內部的應力分布是不均勻的,在材料內部缺陷處會發(fā)生應力集中.在應力梯度作用下氫原子在晶格內跟隨位錯運動向應力集中區(qū)域擴散,在高氫區(qū)會萌生出裂紋并擴展,導致脆性開裂[４Ｇ５]。
該批鉆桿為普通 G１０５鋼級鉆桿,硬度在２８~３３HRC,大于 NACE MR０１７５－２００９對抗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性能進行對比,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為油管硬度低于 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)腐蝕產物中的碳含量較高,說明井底可能存在 CO２ 氣體,進而促使 H２S腐蝕將更加嚴重,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,產生氫原子.CO２ 的存在還促進了鉆桿內壁腐蝕,導致其壁厚減薄,使鉆桿降級.其反應過程如下。
CO２ ＋H２O＝H２CO３ (２)
H２CO３ ＋Fe＝FeCO３ ＋２H (３)
另外,對腐蝕產物的能譜分析還發(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－ 進入到銹層/基體界面,對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,易造成大陰極小陽極的腐蝕反應條件,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力腐蝕引起的開裂,同時井底還存在 CO２ 腐蝕,Cl－ 的存在催化加速了腐蝕進程。
３ 結論及建議
鉆桿失效主要為硫化氫應力腐蝕而導致的脆性開裂,同 時 井 底 存 在 的 CO２,Cl－ 加 速 了 其 腐 蝕進程。建議在含有 H２S氣體的環(huán)境下使用抗硫鉆桿進行作業(yè),從而有效防止鉆桿發(fā)生硫化氫應力腐蝕開裂。
（文章來源：材料與測試網-理化試驗-物理試驗）