油管是油井中连接地表与地层的管道，在油气的开采过程中，油管主要承担将石油、天然气等采出物运送至地表以及将压裂液、酸化液等增产作业用料运输至地层的作用。作为连接地层与地表的通道，石油和天然气等高压、高流速产出物会对油管产生强烈的冲刷腐蚀作用，尤其在油管管柱服役结构异常的情况下，经常发生油管管柱的断裂事故。

     某石油井在工作过程中发生P110S钢级油管断裂事故，油管规格为73.02mm×5.51mm(外径×壁厚)。井深为4152m，井队在进行抽吸作业时，发现抽吸装置卡在井下300m处，无法继续下井。经过调查发现，装置被卡原因是工厂段接头扭矩台肩变形缩颈。更换8支新油管后，重新将油管柱下井，继续进行抽吸作业，抽吸作业过程中并未发生任何问题，抽子下井深度为2200m。之后再次进行抽吸作业时，抽吸装置又发生卡住现象，发现第2支油管管体已经断裂，断裂位置在接箍下方8m处。

     研究人员采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜(SEM)和能谱分析、X射线衍射分析等方法对油管断裂原因进行分析，以防止该类事故再次发生。

1、 理化检验

1.1 宏观观察

      断裂油管整体宏观形貌如图1所示，油管长度约8m，裂纹主要分布在距上部接箍0.4~8m位置(断口)，管体上共存在11条裂纹，最短裂纹长度约为0.41m，最长裂纹长度约为2.6m，裂纹走向基本为纵向。油管管体断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口无明显塑性变形，呈典型的脆性断裂特征。磁粉检测后油管管体宏观形貌如图3所示。由图3可知，管体裂纹呈分支状。

1.2 化学成分分析

      在油管断口附近截取试样，采用直读光谱仪测试油管的化学成分，根据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对断裂油管管体进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：油管管体的化学成分符合标准要求。

1.3 金相检验

      在断裂油管上截取并制备金相试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图4~5所示。由图4~5可知：该油管断裂裂纹源位于油管外表面，裂纹两侧无脱碳氧化现象，在裂纹内部可以明显观察到腐蚀产物，且裂纹尖端存在多个分支现象，分支裂纹均呈沿晶分布特征。

1.4 扫描电镜和能谱分析

      对裂纹断口表面进行扫描电镜分析，结果如图6所示。由图6可知：断口呈放射状形貌特征，放射状花纹收敛于管体外表面，可据此判断裂纹起源于管体外表面。对裂纹内部进行能谱分析，结果如图7所示。由图7可知：裂纹内部主要为S、P和Fe元素，裂纹内部发生腐蚀,腐蚀产物中S元素含量较高。

1.5 X射线衍射分析

     为分析管体裂纹内部腐蚀产物的主要成分，在管体裂纹内部表面刮取腐蚀产物粉末，对粉末进行X射线衍射分析，结果如图8所示。由图8可知：腐蚀产物主要是硫化亚铁和四氧化三铁。

1.6 力学性能测试

      在断裂油管附近管体的第一象限、第三象限分别切取拉伸试样，依据ASTM A370—2021《钢产品力学性能标准试验方法及定义》，在拉伸试验机上对试样进行拉伸试验，结果如表2所示，该批油管出厂前力学性能测试结果如表3所示。检验结果表明，断裂油管管体拉伸性能不符合标准规定，该批油管出厂前屈服强度为777~980MPa，平均值为873MPa，抗拉强度为858~1003MPa，平均值为913MPa，这说明该批钢管性能波动范围较大，个别屈服强度超出标准规定。

2、 综合分析

      理化检验结果表明：管体断裂起源于外表面，呈脆性开裂特征，裂纹呈沿晶多分支特征；断口腐蚀产物主要为FeS，且石油井含一定量的硫化氢。综上所述，油管发生断裂的机制为在含硫化氢的环境下发生应力腐蚀开裂。

     (1)油管的强度越大，油管的抗应力腐蚀性能越差。

      抗硫油套管产品的强度越大，意味着需要缩短回火时间及降低回火温度，产品获得的位错就越多，且碳化物不能完全弥散均匀地析出，这些因素都会降低产品的抗应力腐蚀开裂性能。断裂油管管体的抗拉强度及屈服强度均较大，在井下使用油管将增加硫化氢应力腐蚀开裂的风险。

     (2)油管在关井期间的使用温度较低，降低了P110S油管的抗应力腐蚀开裂性能。

      该井地层中硫化氢的质量分数约为5×10-5~5×10-3，井口的温度约为-10℃，不作业时温度会降低至-40℃左右。在含硫化氢的环境中，材料的抗应力腐蚀性能随着使用温度的降低而降低。在油井不作业的情况下，冬季井口位置的温度低于-10℃，在该温度下，油管材料的断裂韧性将会降低，应力腐蚀临界应力强度因子将会减小，材料发生应力腐蚀开裂的倾向将会增大。

      (3)油管由于自重的原因将承受拉伸载荷，且距离井口越近，其承受的拉伸载荷越大，而随着外载荷的增大，材料发生应力腐蚀开裂的概率也增大。

3、 结论及建议

      (1)P110S钢级油管发生断裂的机制为硫化氢应力腐蚀开裂，断裂油管的强度较大，油管的抗应力腐蚀开裂性能降低，关井期间靠近井口的油管使用温度较低，油管抗应力腐蚀开裂的性能随温度的降低而降低，井口位置油管承受的总拉伸应力最大，这也增加了油管发生硫化氢应力腐蚀开裂的风险。

      (2)建议在类似腐蚀工况条件下，在满足强度条件的前提下(校核安全系数)，使用抗硫化氢油套管，降低应力腐蚀开裂的风险。

作者：赵映辉，夏文斌，周勇，赵建明

单位：衡阳华菱钢管有限公司 技术中心

来源：《理化检验-物理分册》2024年第4期