梁明華， 李京川， 婁 琦， 仝 珂

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077）

中國西部某油田氣井使用的L80 鋼級Φ88.90 mm×6.45 mm 外加厚油管在起油管過程中油管螺紋脫扣， 造成油管掉井。 該批次油管在該油田其他氣井作業(yè)過程中也發(fā)生了螺紋脫扣掉井事故。 油管失效事故輕則造成油管損壞、 油管柱落井， 重則可使整口井報廢， 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。 油管失效的主要形式之一是脫扣[5-10]， 分析油管脫扣原因， 對于防止或減少同類失效事故的發(fā)生具有十分重要的意義。 本研究針對此次L80 鋼級Φ88.90 mm×6.45 mm 外加厚油管脫扣失效事故， 對失效樣品進(jìn)行了相關(guān)檢驗分析， 同時抽取同批次庫存未使用油管進(jìn)行了對應(yīng)的檢驗， 基于檢驗結(jié)果對該井油管脫落掉井的原因進(jìn)行了分析。

1 油管螺紋形貌分析

1.1 內(nèi)螺紋形貌

采用MEF4M 金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對油管螺紋進(jìn)行組織和形貌分析。 失效樣品1 為接箍內(nèi)螺紋， 形貌如圖1～圖3 所示。 將失效樣品和庫存未使用樣品進(jìn)行對比， 發(fā)現(xiàn)接箍現(xiàn)場端螺紋銹蝕嚴(yán)重， 具有錯扣特征， 樣品微觀組織與庫存未使用樣品無顯著差異。

由圖1～圖3 可見， 失效樣品1 的螺紋第1～5 牙可見明顯損傷， 牙型不完整且組織呈明顯流線變形； 第6 牙和第7 牙齒頂及側(cè)壁可見局部組織呈流線變形； 第8 牙之后螺紋未見明顯變形組織。 接箍部位損傷螺紋呈現(xiàn)由大端端面向內(nèi)側(cè)傾斜變形， 螺紋牙型的變形方向與螺紋上扣時的旋進(jìn)方向相反， 導(dǎo)向面變形嚴(yán)重。

圖1 失效樣品1 內(nèi)螺紋宏觀形貌

圖2 失效樣品1 內(nèi)螺紋低倍形貌

圖3 失效樣品1 損傷內(nèi)螺紋變形形貌及組織特征

1.2 外螺紋形貌

失效樣品2 為油管外螺紋， 失效樣品形貌如圖4～圖6 所示。 將失效樣品和庫存未使用樣品進(jìn)行對比， 發(fā)現(xiàn)外螺紋同樣存在嚴(yán)重的銹蝕，具有錯扣特征， 樣品微觀組織與庫存未使用樣品無顯著差異。

圖4 失效樣品2 外螺紋宏觀形貌

由圖4～圖6 可見， 失效樣品2 螺紋第1～6牙可見明顯損傷， 牙型不完整且組織呈明顯流線變形； 第7 牙和第8 牙側(cè)壁局部組織呈流線變形； 第9 牙及之后螺紋未見明顯變形組織。 管體部位損傷螺紋呈現(xiàn)由小端端面向內(nèi)側(cè)傾斜變形，螺紋牙型的變形方向與螺紋上扣時的旋進(jìn)方向相反， 導(dǎo)向面變形嚴(yán)重。

圖5 失效樣品2 外螺紋低倍形貌

圖6 失效樣品2 損傷外螺紋變形形貌及組織特征

2 油管理化性能檢測

2.1 理化檢驗

從失效樣品和庫存未使用產(chǎn)品上分別取樣，試樣1 和試樣2 分別為失效樣品的接箍和管體，試樣3 和試樣4 分別為庫存樣品的接箍和管體。使用ARL4460 直讀光譜儀、 CMT5105 材料試驗機(jī)、 PIT302D 沖擊試驗機(jī)、 RB2002T 洛 氏硬度計進(jìn)行化學(xué)成分分析、 拉伸性能試驗、 夏比沖擊試驗和洛氏硬度檢測。 化學(xué)成分分析結(jié)果見表1， 力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。 分析結(jié)果表明， 失效樣品和同批次未使產(chǎn)品理化檢驗結(jié)果無顯著差異， 各項檢驗結(jié)果均符合訂貨技術(shù)條件要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.2 螺紋檢測

采用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)在庫存未使用鋼管中抽檢油管的外螺紋進(jìn)行檢測， 結(jié)果見表3， 接箍現(xiàn)場端內(nèi)螺紋檢測結(jié)果見表4。 由檢測結(jié)果可知， 抽取的未使用油管及其接箍的螺紋參數(shù)均符合API SPEC 5B—2008 （R2015）[11]和API SPEC 5CT—2011[12]要求。

表3 外螺紋接頭檢測結(jié)果

表4 內(nèi)螺紋接頭檢測結(jié)果

2.3 上扣、 卸扣實物試驗

為了檢驗油管螺紋在上/卸扣過程中的抗粘扣能力， 參考API SPEC 5B—2008 （R2015）條款4.1.3 “油管的連接應(yīng)能經(jīng)受4 次機(jī)緊和卸開操作而不發(fā)生螺紋粘扣損傷”， 制定油管4 次上/卸扣試驗方案； 扭矩參考API SPEC 5C1—1999 （R2015）[13]條款5.3.1 制定， 推薦扭矩4 240 N·m， 最小扭矩3 190 N·m， 最大扭矩5 300 N·m， 應(yīng)用扭矩試驗系統(tǒng)進(jìn)行上/卸扣試驗。 同編號的試樣內(nèi)外螺紋組合上扣， 試驗上扣端為現(xiàn)場上扣端， 上扣前均勻涂抹BESTTOLIFE 72733 螺紋脂， 充分手緊， 上扣速度為5～10 r/min。 庫房抽取的未使用油管上/卸扣試驗結(jié)果見表5。

表5 庫房抽取的未使用油管上/卸扣試驗結(jié)果

油管試樣在4 次上/卸扣試驗過程中均未出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象， 第4 次卸扣后管體外螺紋無明顯變化，接箍內(nèi)螺紋磷化涂層存在不同程度的破損， 油管試樣4 次上/卸扣試驗前后的形貌如圖7 所示。

圖7 油管試樣4 次上/卸扣試驗前后的形貌

2.4 拉伸至失效試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6128—2012[14]， 使用1 500 t復(fù)合加載試驗系統(tǒng)對庫房抽取的全尺寸試樣進(jìn)行了拉伸至失效試驗。 按照失效外螺紋宏觀分析得出的平均上扣嚙合牙數(shù)， 確定試樣現(xiàn)場端的連接位置， 模擬現(xiàn)場上扣位置如圖8 所示。

拉伸至失效試驗結(jié)果見表6。 從表6 中可以看出， 試樣連接強(qiáng)度達(dá)到了API TR 5C3—2008[15]中同規(guī)格L80-1 EU 油管的1.38 倍； 拉伸至失效試驗失效形式為管體斷裂失效， 螺紋連接處未發(fā)生顯著變化， 說明接頭部位連接強(qiáng)度高于管體。 試樣失效后的形貌如圖9 所示。

圖8 試樣模擬現(xiàn)場上扣位置

表6 拉伸至失效試驗結(jié)果

圖9 試樣拉伸至失效后形貌

3 檢測結(jié)果綜合分析

針對失效樣品的形貌觀察可發(fā)現(xiàn)， 接箍內(nèi)螺紋第1～5 牙可見明顯損傷， 牙型不完整且組織呈明顯流線變形； 第6 牙和第7 牙齒頂及側(cè)壁可見局部組織呈流線變形。 第8 牙之后螺紋未見明顯變形組織。 接箍部位損傷螺紋呈現(xiàn)由大端端面向內(nèi)側(cè)傾斜變形， 螺紋牙型的變形方向與螺紋上扣時的旋進(jìn)方向相反， 導(dǎo)向面變形嚴(yán)重。 失效樣品外螺紋第1～6 牙可見明顯損傷， 牙型不完整且組織呈明顯流線變形； 第7 牙和第8 牙側(cè)壁局部組織呈流線變形； 第9 牙及之后螺紋未見明顯變形組織。 管體部位損傷螺紋呈現(xiàn)由小端端面向內(nèi)側(cè)傾斜變形， 螺紋牙型的變形方向與螺紋上扣時的旋進(jìn)方向相反， 導(dǎo)向面變形嚴(yán)重。 綜合分析可以發(fā)現(xiàn)， 其螺紋上扣嚙合至第8～9 牙， 將嚙合螺紋牙型形狀與未嚙合的螺紋牙型對比發(fā)現(xiàn)，嚙合過的螺紋輪廓明顯變小， 結(jié)合受力方向， 說明上扣時造成了螺紋導(dǎo)向面變形， 螺紋牙型頂部磨損， 相應(yīng)承載面積變小。 損傷螺紋中， 存在錯扣痕跡， 說明在此之前的嚙合中已發(fā)生錯扣， 并導(dǎo)致了螺紋牙型的嚴(yán)重?fù)p傷， 進(jìn)而大幅降低螺紋接頭的連接強(qiáng)度。

試驗結(jié)果表明， 失效油管和庫房抽樣油管的化學(xué)成分分析、 拉伸性能試驗及硬度檢測結(jié)果均符合訂貨技術(shù)條件要求。 庫房抽樣油管的螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢驗結(jié)果均符合API SPEC 5CT—2011 和API SPEC 5B—2008 （R2015） 標(biāo)準(zhǔn)的要求。 庫房抽樣油管的拉伸至失效結(jié)果符合API TR 5C3—2008 對同規(guī)格油管的要求。 庫房抽取同批次油管的上/卸扣試驗表明， 試樣通過了API SPEC 5B—2008 （R2015） 要求的上/卸扣試驗， 在第4 次卸扣后未發(fā)現(xiàn)螺紋損傷。 通過全尺寸試樣拉伸至失效試驗， 驗證了螺紋牙型完整的接頭， 通過手緊連接即可上扣嚙合至第8～9 牙，且這種情況下螺紋具有超過管體的承載能力， 此時接箍端面外露螺紋5 牙。 該油管的管體承載能力達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求值的1.38 倍。

4 結(jié) 論

（1） 失效油管和庫房抽樣油管的材料性能無明顯差異， 檢驗結(jié)果符合訂貨技術(shù)條件的要求。

（2） 上扣作業(yè)過程中， 錯扣引起油管螺紋發(fā)生粘扣， 螺紋損傷、 螺紋牙型嚴(yán)重磨損、 組織變形， 降低了螺紋接頭的承載能力， 大幅降低了其連接強(qiáng)度， 從而導(dǎo)致滑脫事故的發(fā)生。