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石油套管失效分析

目录Contents失效石油套管概述一失效分析二分析结论三

油管开裂是油管失效的主要形式，常造成巨大的经济损失。结合华北油田某油井N80(1)石油套管的失效案例，探讨油管开裂失效的普遍规律和特殊现象，为预防同类事故的发生提供理论和实践依据。一.失效石油套管概述:

一.失效石油套管概述:

失效构件测量数据：断裂套管为直径139.7mm、壁厚7.72mm、材质37Mn5的N80(1)石油套管。失效前，地面拉力约250kN，断裂后断口上部套管悬重60kN，管内设计压力为70MPa，井斜3°。该套管是在进行压裂处理时开裂并断裂，断裂时管内压力为30.12MPa，经磁定位测井判断油层套管于地下257m处断裂，断裂处温度为5~10℃。

二.失效分析：1.宏观观察：失效N80(1)石油套管的断口形貌如右图所示：（1）.部分断口呈“人”字形，其余断口走向基本与管子轴向垂直，断口没有出现轴向宏观裂纹、断口表面比较平整，断口处管径无明显变形，管壁没有明显减薄,可以肯定该套管属于脆性断裂。（2）.但由于断裂面上多处被机械划擦损毁，尤其是“人”字形突出处被破坏，致使对裂纹源和断裂方向的判断受到一定影响。（3）.套管断口缘上的二次裂纹均指向远离“人”字形突起的方向，由此可以判断裂纹源应该在“人”字形突起的尖端处或在残留井下的另外一段套管上。N80（1）石油套管的断口形貌

二.失效分析：

2.金相分析：（1）.观察断口附近和远离断口的管壁材料的金相组织见：管壁横断面组织与纵向组织相同，没有明显的轧制织构特征。组织为网状铁素体+珠光体，这种组织韧性较差，晶粒较大并均匀，晶粒度平均为4~5级，部分大晶粒达到2~3级。晶粒异常长大将导致材料韧性下降,使其脆性增加。（2）.从失效套管断口的二次裂纹扩展模式(b)可见：裂纹扩展呈穿晶断裂，这种裂纹扩展模式通常都是脆性断裂裂纹。a.管壁纵截面金相组织b.管壁纵截面裂纹形貌

二.失效分析：

3.断口形貌：（1）.用SEM观察失效套管断面的微观形貌可见：断口表面微观形貌为典型脆性断口，断口上同一晶粒的断裂面比较平整，为片状珠光体，这种断口表明断口处材质脆性很高，所以套管失效断裂是材料韧性过低所致。（2）.对失效套管的非断裂区按API5CT标准(第8版)进行全壁厚拉伸实验，观察到断口中存在大面积脆性区，脆性区中有些晶粒内部为脆性解理断裂，晶界附近有韧窝形貌，说明晶粒内部脆性很高。断口表面SEM微观形貌

二.失效分析：

3.断口形貌：（3）.结合金相分析可知：晶粒内部的珠光体组织脆性很高，而晶界上的铁素体组织的韧性相对较好。（4）.分别对脆性区和韧窝区进行EDS分析可知：脆性区(晶粒内部)的硫和磷含量明显高于韧性区(晶界上)，说明晶粒内部硫、磷富集是导致脆性较高的原因之一。断口表面SEM微观形貌

二.失效分析：

4.化学成分分析:分别对失效套管断口附近和远离断口处的管壁材料进行了化学成分(质量分数)分析并与APISpec5CT标准规定进行对比，结果如下表所示。可见，失效套管的硫、磷平均含量均低于APISpec5CT标准要求。通常以Mn/C比来控制普通套管的强度和韧性，锰含量的上限可提高到w(Mn)=1.5%，Mn/C=4~5；失效套管的Mn/C=4.14失效套管不同部位的化学成分

二.失效分析：

4.化学成分分析:对失效套管断口表面不同部位的EDS分析发现，靠近管壁内侧（如图①，②）的硫含量明显高于管壁外侧（如图③，④），而且也高于APISpec5CT标准的要求（如下表）。微区成分分析取样部位微区EDS分析结果

二.失效分析：

4.化学成分分析:套管内壁是钢管原坯钻孔前的芯部位置，因硫等有害元素易在钢坯芯部偏析，可以推断，在生产过程中，失效套管原钢坯芯部存在成分偏析。由于高硫、磷含量部分脆性较大，这就导致了套管材质存在局部劣化现象，而这种性能劣化现象在质量检测时很难检测到，但却是导致套管发生失效的内在原因之一。在APISpec5CT标准中，只规定了平均硫、磷含量的范围,没有限制硫、磷的偏析和偏聚程度，也未规定相应的检测手段。断口表面SEM微观形貌

二.失效分析：

5.力学性能分析：为了全面了解失效套管材质的力学性能，根据APISpec5CT标准的要求，进行了拉伸实验和1/2尺寸纵向夏比冲击实验，并根据断裂韧性测试结果估算KIc，结果列于下表