国外钢级连续管断裂失效分析

0 前 言

连续管由于其成本低、 占地面积小、 使用方便、 安全系数高、 作业周期短、 可带压作业等一系列优点而被广泛应用于油气田修井、 钻井、 完井、 测井、 传输射孔、 分段压裂、 钻磨桥塞等作业中[1-3]， 在油气田勘探与开发中发挥着越来越重要的作用[4-5]。

近年来， 随着我国能源战略持续推进， 国内深井、 超深井的数量和最大深度记录逐年攀升，深层油气资源占比日益增大[6-7]； 同时， 大量高含H2S、 CO2、 高矿化度的油气井开发日益普遍[8-11]，腐蚀工况日益苛刻， 连续管的服役环境越来越恶劣， 导致连续管失效事故多发[12-14]。 本研究以国外某厂家生产的130ksi 钢级Φ44.5 mm×3.68 mm失效连续管为研究对象， 对其剩余力学性能、 金相组织、 疲劳断口形貌及耐蚀性能进行检测， 分析该连续管断裂失效原因， 以期提高连续管使用寿命， 减少失效事故的发生， 为油气田连续管作业提供指导。

1 组织及力学性能检测

国外某厂家生产的130ksi 钢级Φ44.5 mm×3.68 mm 连续管， 在新疆某含H2S 井中进行酸化压裂作业时， 起下两次后连续管在缠绕至卷筒上时发生了断裂失效，

1.1 剩余壁厚检测

在130ksi 钢级连续管断口附近截取样管进行几何尺寸测量， 测量位置如图1 所示， A-C、B-D 为图1 中选取的5 个截面上沿环向均匀间隔测量的两个值， 检测结果见表1。

图1 样管几何尺寸检测位置

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由表1 可知， 检测结果满足API SPEC 5ST—2010 要求， 管材无外径减小及壁厚减薄情况发生。

表1 样管几何尺寸检测结果?

1.2 整管拉伸性能

在130ksi 钢级连续管断口附近截取450 mm的试样， 采用新三思CMT5101 电子万能拉伸试验机， 依据ASTM E8—2016 标准对所取连续管进行整管拉伸试验， 拉伸结果见表2。

表2 失效管段拉伸试验结果?

由表2 可以看出， 与出厂连续管相比， 失效管段抗拉强度与延伸率均无明显变化， 但是其屈服强度大幅下降， 甚至比设计值降低93 MPa。这主要是由于包辛格效应， 卷曲后的连续管和未卷曲的连续管相比， 屈服强度会下降5%～10%；再加上连续管在复杂的井下环境中服役， 受到拉、 压、 扭转、 弯曲疲劳以及腐蚀等共同作用而导致的。 屈服强度大幅下降后， 会导致管材承受载荷的能力下降， 降低管材的下入深度以及管材的抗挤毁压力[15]， 而该盘连续管在作业过程中下井深度以及自重及连接的工具串载荷不变， 增加了管材失效的风险。

1.3 扩口、 压扁试验

将断口附近连续管加工成Φ44.5 mm×100 mm样管， 对焊缝位置分别进行0°、 90°压扁试验，试验平板间距为37.8 mm （0.85D）。 经检验， 试样均未出现开裂现象。

将断口附近连续管加工成Φ44.5 mm×100 mm样管， 利用锥度为60°的顶芯对样管进行扩口试验， 扩口率21%。 经检验， 试样扩口端未出现开裂现象。 由检测结果可知， 已服役的国外连续管依旧具有较好的塑性。

1.4 金相组织及硬度检测

在130ksi 钢级连续管断口附近母材及焊缝处取9 mm×18 mm 标准试样， 采用DMI5000M金相显微镜进行观察， 金相组织如图2 和图3所示。 采用DurScan-70 硬度计检测其硬度值，结果见表3 和表4。

图2 连续管母材金相组织

图3 连续管焊缝金相组织

表3 130ksi 钢级连续管断口附近焊缝试样硬度检测结果?

表4 130ksi 钢级连续管断口附近母材试样硬度检测结果?

由金相组织观察及硬度检测结果可知， 已服役国外连续管焊缝及母材组织均匀， 硬度也满足设计要求。

1.5 疲劳性能检测及分析

连续管疲劳性能是影响连续管服役的一个非常关键的指标， 为了确定已服役130ksi 钢级连续管的疲劳寿命， 取样进行疲劳试验， 弯模半径1 828.8 mm， 内压34.47 MPa。 检测结果见表5。

表5 已服役连续管疲劳性能检测结果?

由表5 可知， 该连续管疲劳性能整体较好， 但当焊缝处于压缩面时， 疲劳性能不稳定， 波动较大。 取疲劳次数较低的PL-6 疲劳断口进行SEM 和EDS 分析， 结果分别如图4和图5 所示。

由图4 和图5 可以看出， 起裂源位于连续管内壁， 随着疲劳次数的增加， 裂纹由内向外扩展且扩展速率逐渐增大； 同时， 起裂区有大量的Al、 Si、 O 等元素组成的夹杂物， 相邻夹杂物形成的微裂纹不断扩展形成了更大的裂纹， 进一步加速了管材断裂。

文章来源：《中国腐蚀与防护学报》 网址: http://www.zgfsyfhxb.cn/qikandaodu/2021/0622/860.html