放噴管線是井控裝置的重要組成部分[1],是應急狀態(tài)下節(jié)流管匯和壓井管匯下游用來釋放井內(nèi)流體壓力的管線。放噴管線中的高壓、高速流體攜帶地層巖屑顆粒對管線沖蝕、導致管線刺漏失效,嚴重時發(fā)生井噴失控、爆炸、著火等事故[2-5]。受井場面積、設備布局、工藝要求等限制,井控管匯需要通過不同角度的彎管連接,而彎頭處流體對管壁的撞擊及流向的改變會造成流場分布（流速、壓力等）不均,產(chǎn)生紊流和渦流等現(xiàn)象,因此沖刷磨損（磨損腐蝕）是放噴管線的一種常見失效形式。某井在井漏處理過程中出現(xiàn)溢流高套壓,當放噴點火超過24 h時,放噴管線發(fā)生了嚴重的刺漏、斷裂現(xiàn)象。為保障鉆井作業(yè)的安全運行,減少經(jīng)濟損失,并防止此類事故再次發(fā)生,對放噴管線的失效原因進行了分析。 

1.   理化檢驗與結(jié)果

1.1   宏觀形貌分析

從現(xiàn)場共收集5件放噴管線失效樣,詳見表1。其中,1號樣為一端帶短節(jié)（短直管）的彎管,短節(jié)與彎管通過螺紋連接,彎管管端磨損嚴重,彎管內(nèi)外弧處壁厚較薄。2號樣為帶法蘭彎管,彎曲部分呈橢圓形,不圓度為87.1%,彎管外弧側(cè)有一長52 mm、寬8.2 mm的溝槽,且溝槽由內(nèi)及外逐漸擴大形成刺漏,其形成趨勢具有方向性。3號樣為帶法蘭短節(jié),銹蝕嚴重,短節(jié)螺紋不完整。4號樣為帶法蘭直管,銹蝕嚴重,初步判定其斷裂形式為疲勞撕裂。5號樣為兩端帶短節(jié)的彎管,彎管與短節(jié)連接部分有呈凹槽形態(tài)的裂縫,裂縫呈現(xiàn)由內(nèi)及外的擴展趨勢,具有方向性。 

1.2   壁厚分析

為了分析管線不同部位的沖刷腐蝕情況,采用TMG-II型透涂層測厚儀測量樣品的壁厚。檢測位置如圖1所示,A、B、C為測點所在截面,在每一個截面按順時針方向1~12點方位分布12個測試點。管線失效件各區(qū)域壁厚測試結(jié)果如表2所示。相較企業(yè)標準Q/SYCQZ 231-2015《井控裝置放噴管線技術(shù)要求和試驗方法》規(guī)定的標準壁厚,失效件壁厚存在明顯的減薄情況,且減薄不均勻。 

圖  1  壁厚測試點位置

Figure  1.  Location of wall thickness test points: (a) elbow: (b) straight pipe section

1.3   化學成分分析

采用Test Master Pro型直讀光譜儀對失效管線進行化學成分分析,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：1號、3號、4號及5號失效樣的碳含量均明顯小于Q/SYCQZ 231-2015標準對于承壓件的要求,這會導致管道表面硬度降低。 

1.4   硬度分析

采用EQUO TIP3型里氏硬度計對失效管線進行硬度檢測,為便于同標準比較,將測得的里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度,結(jié)果如圖2所示。根據(jù)Q/SYCQZ 231-2015標準,管體硬度應不低于140 HBW,法蘭硬度應不低于174 HBW。結(jié)果表明：1號短節(jié)、3號短節(jié)、5號管體及左右法蘭的硬度均不滿足承壓件材料硬度的最低要求。 

圖  2  失效管線硬度測試結(jié)果

Figure  2.  Hardness test results of failed pipelines: (a) pipes: (b) flanges

1.5   力學性能分析

為分析管線失效后強度及韌性的變化情況,分別利用INSTORON UTM-HYD型電液式萬能材料試驗機及ZBC2302-C型金屬擺錘沖擊試驗機進行拉伸試驗和沖擊試驗,結(jié)果如表4所示。拉伸試驗結(jié)果表明,1號、3號失效樣的抗拉強度均不滿足Q/SYCQZ 231-2015標準最低要求,2號、4號、5號失效樣的斷后伸長率亦不滿足標準最低要求,可見失效件拉伸性能均不滿足標準最低要求,抵抗斷裂破壞的能力較小。沖擊試驗結(jié)果表明,1號、2號、5號失效樣的沖擊韌性不符合標準要求,說明管線變脆傾向變大,易發(fā)生脆性斷裂。 

1.6   金相檢查

對管線失效部位進行取制樣,并采用Zeiss Axio Vert A1型金相顯微鏡進行金相檢查,結(jié)果如圖3和表5所示。由圖3可知,失效管線材料中存在非金屬夾雜物,金屬基體的連續(xù)性被破壞,管線鋼的品質(zhì)變差[6-7]。由表5可知,失效樣均含有D類夾雜物,夾雜物均為0.5級,尺寸較小不足以導致開裂。1號樣彎管與短節(jié)連接處磨損導致連接松動,而彎管直管段晶粒度為7.5級,顯微組織為珠光體+鐵素體,強度與硬度適中,并不脆[8]。2號樣彎管外弧處發(fā)生刺漏,而外弧處晶粒度為9.5級,顯微組織為貝氏體+鐵素體,強度與硬度較高,韌性較小,且低溫貝氏體組織中含有較多的殘余奧氏體,如果服役過程中發(fā)生應變,會誘發(fā)馬氏體相變,使表面呈現(xiàn)出脆性,影響使用壽命[6,9]。5號樣彎管與短節(jié)連接處螺紋嚴重腐蝕導致泄漏,而螺紋腐蝕端直管晶粒度為6.0級,顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,強度、硬度較低,且網(wǎng)狀鐵素體嚴重割裂了珠光體之間的聯(lián)系,使鋼的強度低于正常值,塑性較低,極易變形斷裂[6,10]。 

圖  3  失效管線中夾雜物形貌

Figure  3.  Morphology of inclusions in failed pipelines: (a) elbow straight section of sample No.1: (b) weld of sample No.2: (c) outer arc of sample No.2: (d) weld of sample No.3: (e) left straight pipe section of sample No.5: (f) straight pipe section of sample No.5

1.7   腐蝕斷口形貌分析

采用ZEISS EV0 MA15型掃描電子顯微鏡（SEM）對失效管線斷口腐蝕形貌進行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,2號樣斷口呈條狀花樣,這是流體沖蝕的痕跡,可判定腐蝕流體與金屬表面間發(fā)生相對運動,管線內(nèi)壁產(chǎn)生微小凹槽或溝,在流體不斷沖蝕下微小凹槽或溝逐漸擴大并形成刺漏,因此該失效樣發(fā)生了磨損腐蝕[11]。3號樣斷口表面被腐蝕產(chǎn)物堆積,故表面粗糙不平,腐蝕嚴重,除銹后仍然可見腐蝕產(chǎn)物堆積；4號樣斷口邊緣存在裂紋,除銹后表面腐蝕嚴重,粗糙不平；5號樣斷口表面存在流體沖蝕的痕跡,介質(zhì)長時間腐蝕連接處螺紋,結(jié)合宏觀形貌可知,該失效樣同樣發(fā)生了磨損腐蝕。 

圖  4  失效管線斷口腐蝕形貌

Figure  4.  Corrosion morphology of fracture of failed pipelines

1.8   腐蝕產(chǎn)物分析

從失效樣表面腐蝕產(chǎn)物取樣,采用能譜儀（EDS）對其元素成分進行分析,結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明,失效樣表面腐蝕產(chǎn)物中含有大量的氧元素,說明其表面發(fā)生的腐蝕反應為氧化反應,腐蝕產(chǎn)物應為鐵的氧化物。 

2.   失效原因分析

按照相關標準對放噴管線進行了各項性能檢測,結(jié)果表明失效管線理化性能不滿足企業(yè)標準最低要求,管線變脆傾向較大,易發(fā)生脆性斷裂；但放噴管線晶粒均較細,含有0.5級D類夾雜物,尺寸較小不足以導致開裂。此外,腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果表明：2號樣內(nèi)壁存在凹槽或溝,具有方向性,微觀形貌呈條狀花樣,為典型的磨損腐蝕形貌；5號樣有凹槽形態(tài)且呈現(xiàn)由內(nèi)及外擴展趨勢的裂縫,為磨損腐蝕形貌；3號和4號樣均腐蝕嚴重,腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物?；谝陨蠝y試與分析,推測管線發(fā)生腐蝕失效的主要原因為：惡劣的工況下高速流動的腐蝕介質(zhì)與金屬表面相對運動產(chǎn)生磨損腐蝕,引起金屬加速破壞。 

綜合分析：由于長時間放噴,流體不斷沖蝕絲扣連接部分,1號樣和3號樣連接處壁厚減薄,加之連接處兩端金屬的化學成分、硬度、拉伸性能及沖擊韌性均不符合標準要求,抵抗塑性變形能力差,易發(fā)生脆性斷裂,造成螺紋連接不穩(wěn),繼而脫扣,導致泄漏；2號樣、5號樣管體均受到高速流動流體顆粒的沖擊,管線變脆傾向增大,造成磨損腐蝕或湍流腐蝕,最終發(fā)生刺漏,這是流體力學和電化學共同作用對金屬產(chǎn)生破壞的結(jié)果；直管刺漏、彎頭斷裂后,直管來回擺動,造成4號樣（直管）斷裂。同時4號樣直管受到流體沖蝕導致壁厚減薄,其化學成分及拉伸性能均不合格,抗塑性變形能力差進一步促進脆性斷裂的發(fā)生。 

3.   結(jié)論與建議

綜上,高速流動的腐蝕介質(zhì)與金屬表面相對運動產(chǎn)生磨損腐蝕,引起金屬加速破壞,為此次泄漏的主要原因。為防止此類失效事故再次發(fā)生,提出以下建議[12-16]。 

（1）改進設計：加大彎頭曲率半徑,適當增大管徑,減小沖刷力,保證流體處于層流狀態(tài)；采用以非金屬為內(nèi)襯的雙層結(jié)構(gòu)管道；對直管采用防紊流結(jié)構(gòu),對彎管易發(fā)生沖蝕部位進行加厚,或進行整體加厚。 

（2）正確選材：防止出現(xiàn)采用碳鋼替代合金鋼的情況。 

（3）加強科學管理：管道鋪設、更換時必須嚴格按照操作規(guī)程,盡量避免產(chǎn)生各種應力,安裝腐蝕監(jiān)測設施,定期測厚及無損探傷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)