P11O石油套管裂纹原因分析及改进措施.pdf

第9 期 一 6 7 一 P 1 1 O 石油套管裂纹原因分析及改进措施 王 明英 ，赵晓君 陕西省石化压力容器检验站 ， 陕西 茜安 7 1 0 0 6 1 [ 摘要]P l l O ． ． A P I 5 c T 中石油专用管的一个钢级，材质3 7 M n 5 的钢管通过热处理可达到P 1 1 O 钢级的性能要求，但热处理的 稳定性是关键。本文以某石油专用管厂生产的石油套管在 国外固井试压中发生裂纹的案例进行了原因分析并提 出了相应建 议 。 [ 关键词]P 1 1 0 石油套管；3 7 M n 5 ；热处理；稳定性；热校直；时效；措施 AP I 5 CT 第 9 版 中将 石油专 用管钢 级分 为 四 组 。多数钢 级 的化 学成 份 要求 比较 宽松 如 J 5 5 、K5 5 、N8 0 5 1 1 P 1 1 0 仅对硫 、磷有控制要求 ， 为此如按AP I 5 C T 化学成份要求提供 的钢管进行热 处理，是否能够满足热处理工艺要求，工艺是否稳 定，是否存在一定的质量风险现以某石油专用管 制造厂生产的专用管 原材料管为3 7 Mn 5 、J 5 5 ， 热处理后为P 1 1 O 钢级 ，在国外固井试压 中部分管 子发生纵向裂纹的案例加 以说明。 1 石油专用管产品状况 4 ． 1 ／ 2 ” AP I 石油 专用管 ，产 品原材料 材质 3 7 Mn 5 ，钢级P 1 1 0 ，化 学成份要求S 0 ． 0 3 ％、 P耋0 ． 0 3 ％；机 械性 能除要 求有较 高强度 外 ，同 时要有较好的塑性和 良好 的韧性，具体数值 屈 服强度 Rt 0 ． 67 5 8 MP a ～ 9 6 5 MP a ；抗拉 强度 R b 不低 于8 6 2 MP a ；伸长率 A不低于 1 4 ％冲击功 Ak v 平均值不小于2 3 J ；内外 表 面质量 内外表面不得有超过壁厚5 ％的线性和 非线性缺 陷。 2产品加工工艺流程 从鞍钢采购的 l 1 4 ． 76 ． 3 5 ，材质3 7 Mn 5 、 J S S { N 级套管管体 ，经热处理 调质，热处理工艺 为淬火温度 8 8 0 I O C；淬火介质水 ；回火 温度5 6 0 1 0 。 C、校直 冷校 、漏磁探伤 、 加工螺纹后 ，未经时效处理直接发运至加拿火。 3产品失效状态 运 抵 加 拿大 下井 后 准 备 固井试 压 试压 压 力6 5 MP a ，稳压 时间3 0 mi n时 ，发现稳不 住压力，且 随着 时间的延长越来越严重，之后将 该井 的套管柱从井下提上地面 ，发现 一些套管出 现 纵 向开 口裂纹 ，这些套管 已完全失效，无法使 用 。 问题 出现后 ，用户将 该批未使用 的管子进行 了探伤 ，发现 大部分管子外表面存在长短不一的 细小裂纹。随后厂方要求用户将这批未使用的经 探伤 发现长短不一细小裂纹 的管子取一段样管， 以便进一步分析失效原因。 3 ． 1 取样分析 1 化学成分分析 分别从样管 的细小裂纹处和管子本体处 非 裂纹区 各取两个样区，共做 了四组化学分析， 结果如下 表2 T M P 装置液态烃泵密封使用情况统计 C S S i M n P C r N i M o C u 组别 ％ 1 0 ． 3 6 0 ． 0 0 5 0 ． 2 4 1 ． 2 4 O ． O l 1 O ． O 2 1 O ． O 2 0 ． 0 1 1 O ． 0 7 裂 纹区 2 O． 37 0． 006 O ．2 5 1 ．2 5 0． 0l 2 O． 0 2l O． O3 0．0l l O． 08 l 0 ． 3 7 0 ． 0 0 6 0 ． 2 4 1 ． 2 3 O ． 0 l l 0 ． 0 2 2 0 ． O 2 0 ． O l 2 O ． O 8 非裂纹区 2 O ． 3 5 0 ． 0 0 5 O ． 2 4 1 ． 2 4 0 ． O1 1 0 ． 0 2 1 O ． 0 3 O ． 0 l l 0 ． O 7 作者简介王明英 1 9 6 9 一，男，陕西乾县人，本科学历，工程师，国家注册设备监理师。从事石油化工行业压力容器检验工作2 0 余 年，2 0 0 3 年至今从事石油天然气专用管输送管驻厂监造和设备监理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第9 期 王明英等P 1 ] 0 石油套管裂纹原因分析及改进措施 一 6 9一 从样 管本体试样 的力学性能结果看 ，这支样 管 的强度和硬 度 均偏高 ，屈强 比较高 ，达0 ． 9 以 上，塑性和韧性都较差。 3 ． 2宏观 分析 从样 管上观察 ，其裂纹长度较短 ，一般不超 过7 0 mm，大部分在3 0 ． 4 0 mm，有 的在局部 出现 多 处细小裂纹 长度1 0 ram左右 ，虽然裂纹不长， 但有的裂纹开 口较大，裂纹走 向均较直 。 3 - 3微观分析 首先对表面细小裂纹 ，如2 、4 横截面分析， 2 试样 在 同一截 面相邻 1 ． 3 mm出现 两条平行 的裂 纹 ，两裂纹均垂 直于表面 ，深度 1 ． 9 0 1 ． 9 5 mm， 超 出了内外表面壁厚5 ％缺 陷的要求。裂纹 内腔洁 净 ，没有发现有氧化物 见 图1 、图2 ，裂纹两 侧无脱碳，基体组织为回火索氏体。 4 截面为单条裂纹 ，深度1 ． 9 4 mm，超 出了内 外表面壁厚5 ％缺陷的要求 见 图3 、图4 。 1 和3 试样 的裂 纹稍长 ，开 口也 较大 ，3 试 样 裂纹 深度 4 ． 6 mm，开 口宽0 ． 4 mm，裂 纹 长度 5 0 mm，裂纹垂直 于表面 。整个裂纹 内腔没有发 现氧 化物 ，裂纹两侧 也无脱碳 现象 见 图5 、图 6 ，图6 裂纹中有一条朝表面走 向的小裂纹。 3 ． 4综合分析 从 上述 化 学 、力 学 、宏 观 、微 观金 相 检测 分析可见 ，此套管样件 的裂纹特征 为裂 纹较 短， 深度较深 ，裂 纹垂 直于表面 ，裂纹 内腔 洁净，无 氧化物 ，裂 纹尾 部粗钝 ，两侧无脱碳 。从裂 纹两 侧无脱碳表 明，原材料无 明显裂纹或折 叠，否 则 即使 原来裂 纹没有脱碳 ，在 淬火过程 中也会造成 氧化脱碳 。裂纹 内腔洁净 、无氧化物 、裂纹尾 部 粗钝表 明，这 不是淬火裂纹 。淬火裂纹 的尾部尖 锐 、细 小，并在 随后 的回火过程 中，裂 纹 内部多 少会有氧化物 氧化物数 量决定 于回火温度和 时 间。在 回火过程 中一般不会产 生裂纹 。排 除了 上述原 因，根据裂纹特征和 工艺流程分 析，其裂 纹可能产生于校直过程中。 4失效 原因 经查证，在3 7 Mn 5 钢 材中，提 高钢 淬透性 的 元素C r 、w 、Ni 和提 高钢韧性的元素Mo 、Ni 、T i 等 的含量极低 ，造成此钢材通过热处理成为较高 综合性 能的优质钢较 困难 。因此这几批 套管的屈 服强度和抗拉 强度均较 高，一部分在上限附近 ， 个别还有超 限 的 9 6 5 MP a 以 ，同时屈 强 比 高 ，基 本都在0 ． 9 以上 ，这使 其钢材 塑性 降低 ， 冷校直时会产 生较 人的应力 ，该应力超过其强度 极限则产， } 裂 纹；或 外加』 力虽未达到强度 极 限 ， 食管表 的某止 细 小缺 陷 如微裂纹 、轻 微折叠、划痕 、凹坑等 ，也可能产生裂纹；校 直后的残 余应 力在表 向细小缺 陷处也 叮能产生裂 纹 ，这类裂纹 可长可短。裂纹形貌较直 、垂直于 表面、尖端粗钝及 次生裂纹 的走 向是该类裂纹的 特 征 。裂纹 内腔洁净 ，无氧化物 ，无脱碳层是判 断此类裂纹的旁证 。 5改进措施 从 以 卜试验 结 果和 失 效 原 因分析 ，我 们 建 议 1 生产厂在制造综合性能较高的优质钢管 时 ，应选 择有利于提 苛钢综合性 能的原材料，如 3 0 C r Mo 、3 5 C r Mo 、4 2 Mn Mo V等 ； 2生产厂 在热处理 过程宜选 用热校直 工 艺 。如受设备 限制 ，不 能进行热校直时建议校 直 后经过一段时间的时效处理 ，再进行探伤 ，可发 现 因校直应力完全释放后形成 的缺 陷，减少失效 事故的隐患。 ◆参考文献 [ 1 ] Q ／ S Y 1 1 3 4 2 0 0 8 ，产 品驻厂监造规范[ s ] ． [ 2 ] A P I S P E C 5 C T 第9 版 ，套管和油管规 范[ S ] ． [ 3 ] A S T MA3 7 0 ，钢制 品机械性能试验方法和定义[ S ] ． [ 4 1 A S T MA7 5 1 ，钢制 品化学分析方法、实验操作和术语 [ S ] 收稿日期；2 0 1 2 L 0 7 2 0 ；修回日期i 2 0 1 2 - 0 8 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m