圖 1斷裂鋼管試樣的宏觀形貌
油井管是石油、天然氣開采過程中的重要部件,其中J55鋼級(jí)油井管占國(guó)內(nèi)油井管總需求量的50％以上[1-2],J55鋼級(jí)油井管是石油管材產(chǎn)品中的普通鋼級(jí)產(chǎn)品,用于地質(zhì)條件相對(duì)較好、井深較淺的環(huán)境。國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的J55鋼級(jí)油井管材料一般為37Mn5鋼。
由于套管鉆井技術(shù)的應(yīng)用以及采油工藝的特殊性,油井管長(zhǎng)期在交變載荷下工作,并在多處與抽油桿接箍及桿體發(fā)生接觸摩擦,加上井內(nèi)液體腐蝕等因素的影響,油井管連接螺紋處經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂、破損、偏磨、腐蝕等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn),并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3-6]。一般來說,水井的地質(zhì)條件、深度及作業(yè)環(huán)境等比油氣井好,因此在水井的開采中常常使用J55油井管產(chǎn)品。
某水井開采時(shí),設(shè)計(jì)使用規(guī)格為177.8 mm×8.05 mm（外徑×壁厚,下同）的J55套管,工程實(shí)際采用規(guī)格為177.8 mm×6.91 mm 的J55套管,鋼管在下井過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象。共計(jì)下井80多支鋼管,斷裂發(fā)生在從井口向下的第10支鋼管上,斷裂位置為非接箍處。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)鋼管斷裂原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
截取斷裂鋼管的上半部分作為試樣,斷裂鋼管試樣的宏觀形貌如圖1所示。鋼管表面及斷口被氧化銹蝕,從鋼管整體形貌判斷,鋼管在豎直井中受到拉力作用并發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致鋼管斷裂,且鋼管塑性變形量較大。
鋼管斷口4號(hào)試樣外表面有明顯的縱向裂紋缺陷（見圖2）,縱向裂紋與斷裂橫截面垂直相交,呈丁字形,判斷裂紋源在4號(hào)位置附近。從截面看,該處裂紋已貫穿鋼管的內(nèi)、外表面。
圖 2鋼管斷口4號(hào)試樣宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
從斷裂鋼管上取樣,利用ICP-AES電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)試其化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分滿足API 5CT 《套管和油管規(guī)范》要求,且P、S元素含量控制得較好。
Table 1.斷裂鋼管試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果
1.3 力學(xué)性能測(cè)試
在遠(yuǎn)離斷口位置取樣,并按API 5CT要求進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：所取試樣的力學(xué)性能均符合材料的使用要求。
Table 2.斷裂鋼管試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
1.4 金相檢驗(yàn)
用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的組織進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,內(nèi)表面存在混晶組織,中部和外表面的組織比較均勻,晶粒度為5.5級(jí)。
圖 3鋼管橫截面內(nèi)表面、中部、外表面的顯微組織形貌
對(duì)鋼管斷面的5個(gè)部位進(jìn)行分析,分別編號(hào)為1~5號(hào),其中1號(hào)和4號(hào)試樣的裂紋比較典型,分別對(duì)這兩個(gè)試樣的情況進(jìn)行分析。
將4號(hào)試樣切掉上半部分后觀察,發(fā)現(xiàn)裂紋從外表面起裂,深入基體約4 mm。
對(duì)斷口面進(jìn)行磨制、拋光,再置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,裂紋周圍無明顯非金屬夾雜物。用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,該部位組織存在明顯的混晶現(xiàn)象。裂紋從鋼管外表面由細(xì)到粗再到細(xì)擴(kuò)展,鋼管外表面起始裂紋處一側(cè)有脫碳現(xiàn)象,在內(nèi)表面裂紋變粗處,晶粒有變形特征；從裂紋的尖端看,裂紋呈沿晶開裂特征,并逐漸變細(xì)。
圖 4拋光態(tài)裂紋及非金屬夾雜物微觀形貌
圖 5腐蝕后裂紋周圍微觀形貌
進(jìn)一步觀察斷口附近的顯微組織,發(fā)現(xiàn)該斷口附近的組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體（見圖6）。由圖6可知：裂紋附近和基體均存在明顯的混晶現(xiàn)象,小晶粒的晶粒度級(jí)別為8~9級(jí),大晶粒的晶粒度級(jí)別為2~3級(jí),且大晶粒的比例占到40%以上,裂紋處存在粗大晶粒,且裂紋旁的晶粒有明顯變形。
圖 6斷口附近的顯微組織形貌
1號(hào)試樣的位置為鋼管斷面的瞬斷區(qū)附近,裂口由外表面向內(nèi)表面延伸,但沒有貫穿。
對(duì)1號(hào)試樣缺陷處外表面進(jìn)行磨制、拋光和觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：裂紋處未觀察到非金屬夾雜物,從斷口的底部可以明顯看到鋼管外表面存在縱向裂紋缺陷。
圖 7拋光態(tài)裂紋微觀形貌
用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：斷口周圍組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,混晶現(xiàn)象不明顯,斷口一側(cè)有脫碳現(xiàn)象。說明鋼管外表面存在原始的細(xì)小縱向裂紋。
圖 8腐蝕后裂紋周圍顯微組織形貌
1.5 掃描電鏡（SEM）分析
將斷口試樣進(jìn)行超聲清洗后,置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：斷口銹蝕嚴(yán)重,微觀形貌以韌窩為主,呈韌性斷裂特征。
圖 9鋼管斷口4號(hào)試樣SEM形貌
2. 綜合分析
該斷裂鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但鋼管的沖擊性能一般。裂紋周邊未見異常。鋼管基體組織存在混晶現(xiàn)象。
從鋼管斷口處典型的金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看到,裂紋由外表面起始向內(nèi)擴(kuò)展,并呈現(xiàn)由細(xì)到粗再到細(xì)的特點(diǎn)。鋼管外表面起始裂紋處的脫碳現(xiàn)象說明鋼管外表面存在原始細(xì)小裂紋。另外,裂紋附近組織混晶現(xiàn)象嚴(yán)重,晶粒存在明顯變形。通過以上分析可以推斷：該J55套管斷裂的原因是鋼管在超設(shè)計(jì)使用過程中,鋼管所承受的拉力和扭轉(zhuǎn)力達(dá)到了鋼管截面實(shí)際所能承受的極限值,這時(shí)鋼管外表面局部存在的細(xì)小裂紋成為了斷裂起裂源,再加上裂紋處粗大的晶粒使晶界的曲折減少,導(dǎo)致裂紋沿粗大晶粒的晶界傳播,并在外力的作用下向內(nèi)表面擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鋼管發(fā)生斷裂現(xiàn)象。
采用37Mn5鋼生產(chǎn)的J55套管在熱軋狀態(tài)下的組織一般為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,網(wǎng)狀鐵素體的存在破壞了組織的連續(xù)性,在一定程度上降低了材料的塑性、沖擊韌性和疲勞韌性[7-8],這就使得J55油井管的使用條件受到一定限制。對(duì)于水井開采來說,采用J55鋼級(jí)的鋼管是可行的,但一定要根據(jù)下井深度等條件設(shè)計(jì)好所使用鋼管的外徑和壁厚。鉆井工程設(shè)計(jì)要求使用規(guī)格為177.8 mm×8.05 mm的J55套管,而實(shí)際使用了177.8 mm×6.91 mm套管,鋼管處于超負(fù)荷服役狀態(tài),鋼管承受了過大的力,這也是鋼管斷裂的原因之一。
3. 結(jié)語及建議
（1）J55鋼管斷裂模式為塑性斷裂,且斷裂原因不是化學(xué)成分、力學(xué)性能和非金屬夾雜物不合格。
（2）由鋼管斷口的初步分析可知,鋼管表面存在的細(xì)小裂紋缺陷和不良的混晶組織,再加上鋼管的超設(shè)計(jì)使用是鋼管斷裂掉井的主要原因。
（3）建議控制好管坯的加熱溫度,避免終軋溫度偏高,尤其對(duì)于終軋道次變形量較小規(guī)格的管坯尤其重要,以避免混晶組織的產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^正火熱處理方式消除產(chǎn)生的混晶組織。
（4）37Mn5鋼在熱軋狀態(tài)下的組織一般為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,在熱軋時(shí)要避免管坯加熱溫度過高而造成材料的晶粒度粗大以及產(chǎn)生混晶。建議采取正火并控制冷卻速率的熱處理方式消除網(wǎng)狀鐵素體,以提高鋼管的塑性和韌性。
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)