喬凌云， 李鴻斌，3， 黃曉江， 蘆 琳， 周 云， 張 超

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008；2. 國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721008；3. 陜西省高性能連續(xù)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 寶雞 721008）

我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量居世界第一， 但其儲(chǔ)藏深、豐度差， 環(huán)境惡劣， 井內(nèi)介質(zhì)復(fù)雜， 地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。 我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展較晚， 因此連續(xù)油管及配套工具的技術(shù)研究與國(guó)外技術(shù)水平存在一定差距[1]。 連續(xù)油管作為油田一種萬(wàn)能作業(yè)裝備， 被廣泛用于通井、 測(cè)井、 修井、 完井等領(lǐng)域[2]。井下工具是連續(xù)油管不可分割的一部分， 其先進(jìn)程度從某種意義上代表了連續(xù)油管井下作業(yè)的技術(shù)水平。 作業(yè)過(guò)程中， 連續(xù)油管的自由端連接一系列工具串， 這些工具串隨著連續(xù)油管的卷放或收回， 完成不同的井下作業(yè)[3-4]。 由于工具串承受了很大的拉力、 壓力和扭矩， 常會(huì)發(fā)生斷裂失效， 不但影響正常作業(yè)， 還增加了工具的更換成本和打撈成本， 減少連續(xù)油管使用壽命。

液壓丟手是連續(xù)油管井下工具串之一， 目的是起管遇卡無(wú)法上提或根據(jù)工藝要求需要把丟手下的工具串置于井內(nèi)時(shí)， 向油管內(nèi)投入鋼球（Φ42 mm） 并注液增壓， 剪斷剪釘， 使丟手下管串脫離[5]。 本研究以連續(xù)油管液壓丟手失效樣品為研究對(duì)象， 通過(guò)對(duì)其斷口進(jìn)行理化檢測(cè)及形貌觀察， 分析液壓丟手的失效過(guò)程， 探究丟手失效的主要原因， 預(yù)防和減少此類事故發(fā)生。

1 失效概況

某頁(yè)巖氣井連續(xù)油管連接井下工具串進(jìn)行測(cè)井作業(yè)， 測(cè)井完畢后， 油管起至井口， 泄壓拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)， 工具串在液壓丟手下接頭公扣位置斷裂， 下部工具落井。 工具串自上而下分別為：Φ65 mm 鉚釘式連接器0.17 m、 Φ65 mm 單流閥0.36 m、 Φ65 mm 丟手0.55 m、 Φ63.5 mm 旁通閥0.25 m、 Φ53 mm 變扣0.23 m 及Φ43 mm 測(cè)試工具串7.12 m， 總長(zhǎng)8.93 m， 試壓合格后入井。

以起出部分丟手為研究對(duì)象， 開(kāi)展相關(guān)理化檢驗(yàn)及斷口分析。 丟手材質(zhì)為40CrNiMo， 在井口周圍地面取氣樣化驗(yàn)， 氣樣中H2S 含量為0.21%。

2 連續(xù)油管液壓丟手?jǐn)嗔褭z測(cè)

2.1 宏觀檢驗(yàn)

失效樣品如圖1 所示， 樣品顯示自丟手根部斷裂， 斷口平齊， 未發(fā)生明顯塑性變形。 原始樣品呈土黃色， 表面有油污、 銹蝕， 內(nèi)壁有較多的腐蝕產(chǎn)物。 使用5%檸檬酸對(duì)樣品進(jìn)行清洗， 發(fā)現(xiàn)斷面比較干凈， 斷口顏色灰暗。 整個(gè)斷口分為平坦區(qū)和剪切唇兩個(gè)區(qū)域， 平坦區(qū)約占斷口面積的90%以上， 是裂紋起裂和擴(kuò)展區(qū)； 剩余部分為剪切唇區(qū)， 為丟手整體斷裂時(shí)形成的瞬斷區(qū)。 斷口平坦區(qū)有明顯的放射花樣， 花樣匯集于丟手內(nèi)表面， 收斂處為裂紋源， 呈典型的多源起裂特征， 如圖2 所示。 丟手內(nèi)表面有明顯的機(jī)加工痕跡， 沿著機(jī)加工刀痕， 有一些剛萌生的微裂紋， 如圖3 所示。

圖1 失效連續(xù)油管丟手

圖2 失效丟手原始斷口

圖3 失效丟手內(nèi)壁的微裂紋

2.2 化學(xué)成分分析

在失效樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。 分析結(jié)果表明， 該樣品化學(xué)成分滿足40CrNiMo 材料要求， 化學(xué)成分未見(jiàn)異常。

表1 失效丟手樣品化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 %

2.3 金相分析及硬度檢驗(yàn)

在失效試樣上分別截取周向和軸向金相試樣， 周向試樣做組織及硬度檢驗(yàn)， 軸向試樣做裂紋檢驗(yàn)。 金相組織如圖4 所示， 由圖4 可知， 試樣組織分布非常均勻， 以回火索氏體為主， 保留部分原馬氏體相。 靠近丟手內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)有裂紋， 裂紋沿晶界擴(kuò)展， 擴(kuò)展過(guò)程中有分叉現(xiàn)象， 呈樹(shù)枝狀， 其微觀形貌如圖5 所示。

圖4 失效丟手試樣金相組織形貌

圖5 失效丟手內(nèi)壁的沿晶裂紋分叉現(xiàn)象

沿壁厚從內(nèi)壁向外壁測(cè)試丟手硬度， 橫截面硬度基本均勻， 分別為36.0HRC、 36.1HRC、35.7HRC、 35.6HRC 和35.8HRC。

2.4 斷口組織觀察及能譜分析

斷口組織觀察如圖6 所示。 使用掃描電鏡對(duì)清洗過(guò)的斷口進(jìn)行觀察， 發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁起裂區(qū)仍殘留少許腐蝕產(chǎn)物， 剝開(kāi)腐蝕產(chǎn)物， 發(fā)現(xiàn)起裂區(qū)沒(méi)有明顯缺陷， 如圖6 （b） 所示； 靠近起裂區(qū)有大量的沿晶二次裂紋， 晶面為準(zhǔn)解理形貌， 存在雞爪紋， 越靠近起裂區(qū)， 沿晶塊分布越密集， 如圖6 （c） 和圖6 （d） 所示； 擴(kuò)展區(qū)以周向二次裂紋為主，如圖6 （e） 所示； 最后斷裂區(qū)二次裂紋徹底消失， 形貌為淺韌窩， 如圖6 （f） 所示。 對(duì)斷口上殘留的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析， 分析位置及能譜圖如圖7 所示， 分析結(jié)果見(jiàn)表2。 從表2 可以看出， 斷口的腐蝕產(chǎn)物有O、 Al、 Si、 S 等元素存在， 而且O、 S 含量較高， 其中， w（O）達(dá)68.57%，w（S）達(dá)7.26%。

圖6 失效丟手?jǐn)嗫诮M織形貌

表2 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

圖7 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析

綜合斷口形貌觀察及檢測(cè)結(jié)果， 裂紋從丟手內(nèi)壁機(jī)加工刀痕處開(kāi)始萌生， 然后擴(kuò)展至斷裂；斷口平齊， 無(wú)明顯塑性變形， 屬于脆性斷裂； 斷面與主應(yīng)力方向垂直； 斷面上有很多放射性臺(tái)階， 呈樹(shù)根狀， 為多源均勻起裂； 斷口上有大量沿晶二次裂紋， 晶面為準(zhǔn)解理形貌， 存在雞爪紋； 裂紋沿晶界擴(kuò)展， 有樹(shù)枝分叉現(xiàn)象； 腐蝕產(chǎn)物S 含量較高， 這些特點(diǎn)均符合H2S 應(yīng)力腐蝕特征。 丟手材質(zhì)為高強(qiáng)度合金鋼， 硬度35HRC～36HRC， 對(duì)氫敏感， 井內(nèi)為H2S 濃度較高的潮濕環(huán)境， 判斷丟手?jǐn)嗔咽У脑蚴橇蚧飸?yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSC）。

3 分析與討論

3.1 原因分析

H2S 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與環(huán)境、 材料及應(yīng)力有密切關(guān)系， 即濕的H2S 環(huán)境、 氫敏感材料及應(yīng)力。材料在濕H2S 環(huán)境下作業(yè)， 會(huì)引起破壞， 并且隨著H2S 濃度的增加， SSC 的敏感性也增強(qiáng)[6-8]。 高強(qiáng)度鋼對(duì)氫敏感性強(qiáng)， 隨著屈服強(qiáng)度的升高， 臨界應(yīng)力和屈服強(qiáng)度的比值下降， 應(yīng)力腐蝕的敏感性增加。 另外， 據(jù)有關(guān)資料顯示， 油氣井鉆探用材料的斷裂大多發(fā)生在硬度大于22HRC 的情況下， 因此， 通常把22HRC 作為判斷材料是否適合于含硫油氣的硬度指標(biāo)， 材料的硬度越高， 對(duì)SSC 的敏感性越強(qiáng)[9-12]。

3.1.1 濕的硫化氫腐蝕介質(zhì)

丟手服役井口的周圍H2S 含量高達(dá)0.21%，斷口殘留的腐蝕產(chǎn)物w（S）的含量分別為2.96%、7.26%， 斷裂特征為H2S 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂， 表明該試件在含H2S 的潮濕環(huán)境中服役。

服役過(guò)程中， H2S 在水溶液中電離， 電離方程式如下。

H2S＝H+＋HS

HS－＝H+＋S2－

溶液變?yōu)樗嵝裕?對(duì)丟手內(nèi)壁進(jìn)行電化學(xué)腐蝕， 腐蝕方程如下。

其中： Had為鋼表面吸附的氫原子， [H]為鋼中的擴(kuò)散氫。

陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物： Fe2＋＋S2－→FeS↓

丟手內(nèi)壁聚集大量腐蝕溶液， 在內(nèi)壁發(fā)生H2S 應(yīng)力腐蝕。 陰極產(chǎn)生的氫聚集在內(nèi)壁微小缺陷處， 在聚集處產(chǎn)生壓力， 進(jìn)而形成應(yīng)力場(chǎng)， 當(dāng)氫濃度達(dá)到一定臨界值時(shí)， 裂紋在內(nèi)壁萌生， 并隨著[H]在鋼中的擴(kuò)散而快速擴(kuò)展。 而陽(yáng)極的最終產(chǎn)物為硫化亞鐵， 硫化亞鐵是一種有缺陷的結(jié)構(gòu)， 與鋼鐵表面的粘結(jié)力差， 易氧化、 脫落， 正極電位較高， 因而作為陰極與鋼鐵基體構(gòu)成一個(gè)活性的微電池， 加劇了丟手的腐蝕。

另外， 觀察失效斷口微觀形貌發(fā)現(xiàn)， 起裂區(qū)附近有大量沿晶二次裂紋， 距起裂區(qū)越遠(yuǎn)， 二次裂紋越少， 且只沿丟手周向分布， 說(shuō)明起裂區(qū)氫的濃度較高， 氫在材料晶粒各位向均有分布， 使晶粒間各位向結(jié)合力減弱。 隨著擴(kuò)散的深入， 氫濃度降低， 它更多地聚集在材料鍛壓方向的帶狀組織上， 使這個(gè)方向晶間結(jié)合力減弱， 形成周向二次裂紋。

3.1.2 材料對(duì)氫的敏感性

H2S 是普通碳鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感介質(zhì)，丟手的材質(zhì)為40CrNiMo 高強(qiáng)度合金鋼， 屈服強(qiáng)度≥835 MPa， 抗拉強(qiáng)度≥980 MPa， 硬度35HRC～36HRC， 對(duì)氫很敏感。 經(jīng)檢測(cè)， 丟手組織以回火索氏體為主， 但仍然殘留了部分原板條馬氏體組織， 這些板條界成為氫的聚集點(diǎn)， 氫在板條界面聚集， 形成氫壓和應(yīng)力場(chǎng)， 加劇了裂紋的萌生和擴(kuò)展。 另外， 丟手w（P）為0.021%， 不滿足抗H2S應(yīng)力腐蝕油套管w（P）≤0.01%的要求[13-14]。 P 的 富集， 會(huì)在材料中形成偏析帶， 成為氫的聚集帶，造成材料性能下降。

3.1.3 拉應(yīng)力的影響

宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 丟手內(nèi)表面有明顯機(jī)加工痕跡， 沿機(jī)加工刀痕， 有些萌生的微裂紋。 這是由于這些機(jī)加工線性缺陷處應(yīng)力集中， 加速了裂紋的形核。 另外， 作為連續(xù)油管工具串一部分， 丟手作業(yè)時(shí)承受了相當(dāng)大的軸向拉伸載荷。 應(yīng)力集中和正向拉伸載荷是丟手發(fā)生SSC 的應(yīng)力條件。

綜上所述， 該丟手是由于發(fā)生H2S 應(yīng)力腐蝕而發(fā)生斷裂， 氫的浸入使得材料塑性、 韌性急劇下降， 丟手?jǐn)嗔烟幱休^大的工作應(yīng)力和應(yīng)力集中， 在含硫腐蝕介質(zhì)、 材料強(qiáng)度和硬度偏高的共同作用下發(fā)生SSC。

3.2 結(jié)果討論

SSC 斷裂是破壞性極強(qiáng)的一種設(shè)備失效形式，但由于介質(zhì)脆斷屬于滯后斷裂問(wèn)題， 通過(guò)科學(xué)監(jiān)測(cè)或定期檢查， 及時(shí)更換零部件， 采取適當(dāng)措施等， 一定程度上能防止惡性事故發(fā)生。 因此， 含S酸性介質(zhì)中應(yīng)重視井下工具的選材、 防護(hù)、 檢測(cè)及全壽命管理工作， 針對(duì)服役環(huán)境進(jìn)行合理的工具選材， 添加緩蝕劑加以防護(hù)， 定期對(duì)工具開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)， 對(duì)工具的服役時(shí)間、 服役環(huán)境等進(jìn)行紀(jì)錄， 必要時(shí)放置一段時(shí)間再使用， 開(kāi)展工具的全壽命管理， 避免井下工具發(fā)生突然失效。

4 結(jié)論及建議

（1） 該丟手失效是由硫化氫應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致，工作應(yīng)力和應(yīng)力集中、 含硫腐蝕介質(zhì)， 以及材料的硬度偏高， 三者共同作用導(dǎo)致丟手發(fā)生斷裂失效。

（2） 開(kāi)發(fā)抗H2S 應(yīng)力腐蝕的高強(qiáng)度工具鋼，以適應(yīng)含硫介質(zhì)油氣田開(kāi)發(fā)的需求。

（3） 重視井下工具的全壽命管理， 通過(guò)選材、 防護(hù)、 監(jiān)控、 檢測(cè)等手段做好預(yù)防措施。