غونغ غويشيان، هان رونغدونغ، صن يي تشيانغ
(معهد أبحاث ووهان للحديد والصلب (مجموعة التطوير)، ووهان، هوبي 430080)
الملخص: تم استخدام المجهر المعدني والمجهر الإلكتروني الماسح لتحليل سبب فشل الانفجار الذي حدث في وصلة دوارة على شاحنة تكسير أثناء عملية التكسير في حقل نفطي. تظهر النتائج أن فشل الانفجار في وصلة دوارة أثناء تشغيل التكسير كان بسبب تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد. نظرا لأن المادة تحتوي على شوائب كبريتيد شديدة من المنغنيز، فإن تشققات التآكل التي بدأت عند شوائب كبريتيد المنغنيز تحت تأثير إجهاد الشد والوسط التآكلي للكلوريد، ثم انتشرت أكثر وتسببت في تمزق وصلة دوارة.
خلال عملية حفر في حقل نفطي، انفجر وصلة دوارة بقطر 3 إنش (76.2 مم)، 105 ميغاباسكال، من طراز 50 المستخدم في شاحنة التكسير فجأة أثناء عملية التكسير.
كان وصلة دوارة مصنوعا من 20CrNiMo وكان في الخدمة لمدة عام واحد تقريبا فقط. أظهرت إعادة الفحص أن تركيبه الكيميائي استوفى المتطلبات القياسية. كانت عملية الإنتاج تشمل التشكيل والتطبيع والتصنيع الخشن، والكربنة والتبريد، والتصنيع بدرجات حرارة منخفضة، والتصنيع النهائي. قبل التسليم، تم إجراء اختبار قوة الجسم عند 158 ميغاباسكال وفقا لإجراء اختبار المصنع لمنتجات التحكم في التدفق عالي الضغط، وكانت نتيجة الاختبار تستوفي المتطلبات.
أثناء عملية التكسير، كان الوسط الملامس مع وصلة دوارة سائلا حمضيا (20٪ HCl + 1.5٪ HF + لاصق). في بئر واحد، كان الوسط الحمضي المحقون أثناء التكسير الحمضي بين 400 متر مكعب إلى 1000 متر مكعب، وكان ضغط التكسير بين 50 ميغاباسكال و90 ميجا باسكال. لتحديد سبب فشل الانفجار، تم أخذ عينات من الأنبوب المتسرب للتحليل. تقدم هذه المقالة عملية التحليل والنتائج.
1. نتائج الفحص
1.1 الفحص الماكروسكوبي
يظهر الشكل 1 الصورة الماكروسكوبية المعاد تجميعها للكوع المتفجر. كان سطح الكسر متآكلا بشدة، لكن ملامح الكسر الهش كانت واضحة جدا. يظهر الشكل 2 سطح الكسر العرضي للكوع، والذي كان السطح الرئيسي للكسر. يمكن ملاحظة أن الكسر حدث عند الكتف المغلق، مع وجود ثلاثة مصادر واضحة للكسر تقع في المواقع A وB وC كما تشير الأسهم في الشكل 2.
الشكل 1. صورة ماكروسكوبية للكوع المكسور
الشكل 2. مطابقة ملامح سطح الكسر للكوع المكسور
المنطقة أ: شق طولي اخترق سمك الجدار. كان سطح الكسر الطولي مغطى بطبقة شديدة من نواتج التآكل. بعد التنظيف بمحلول مائي ساخن من حمض الهيدروكلوريك، يظهر شكل الكسر في الشكل 3. يمكن تقسيم سطح الكسر الطولي إلى منطقتين واضحتين. كان الجانب القريب من الجدار الداخلي مستويا نسبيا، مع أنماط شعاعية تمتد من سطح الجدار الداخلي نحو سمك الجدار، مما يشير إلى أن الشق نشأ من الجدار الداخلي. الجانب القريب من الجدار الخارجي كان خشنا وليفيا؛ كانت هذه المنطقة هي منطقة التمزق النهائية. وفي الوقت نفسه، تم العثور على العديد من الشقوق الدقيقة الطولية على سطح الجدار الداخلي، مما يدل على أن تكوين الشق الطولي كان مرتبطا بالشقوق الدقيقة على سطح الجدار الداخلي.
الشكل 3. شكل الكسر للشق الطولي عند المنطقة A
المنطقة ب: كانت خصائصها عموما نفسها لتلك الموجودة في المنطقة أ.
المنطقة ج: هذه المنطقة شكلت حوالي خمس سطح الكسر بأكمله. كان هناك عدة منصات صغيرة متعددة الطبقات في القسم، مع خطوط شعاعية واضحة على المنصات. تجمعت الخطوط في أسفل كتف الختم الخارجي، حيث كان سمك الجدار رقيقا نسبيا.
استنادا إلى الميزات السابقة، يمكن رؤية تسلسل تطور الكسر كما يلي: تشققات دقيقة على أسطح الجدار الداخلي للمنطقتين A و B تنتشر في اتجاهين طوليين وعرضيين. بعد أن وصل الانتشار إلى حد معين، تشكل شق عرضي في أسفل كتف الختم في المنطقة C وتسبب في النهاية في كسر عرضي.
1.2 الامتحان المعدني
وجد الفحص الماكروسكوبي العديد من الشقوق الطولية المجهرية على أسطح الجدران الداخلية في المناطق A وB كما هو موضح في الشكل 2. بعد طحن سطح الجدار الداخلي، لوحظت حفر تآكل عند وحول الشقوق. غالبا ما تبدأ هذه الحفر عند شوائب الكبريتيد (انظر الشكل 4). أظهرت عينة معدنية عرضية أخذت عبر قاع حفرة تآكل أن الشق انتشر بشكل متعرج على طول اتجاه سمك الجدار للكوع. كانت نواتج التآكل موجودة داخل الشق، وغالبا ما كانت هناك شوائب كبريتيد ترى عند ذيل الشق.
أظهرت عينة معدنية طولية العديد من الشوائب الكبريتيدية الدقيقة على شكل شريط (انظر الشكل 5)، وتم تصنيفها كدرجة A3 وفقا لنموذج GB/T 10561-2005.
أظهر القياس أن عمق الطبقة الكربنية على الجدران الداخلية والخارجية للعينة كان بين 1.2-1.4 مم، مما استوفى المتطلبات الفنية ذات الصلة.
كان الهيكل المجهري السطحي للجدران الداخلية والخارجية للعينة عبارة عن مارتنزيت خشن مع الأوستنيت المحتفظ به. كان حجم حبيبات الأوستنيت السابقة درجة 8. انتشرت الشقوق على طول حدود حبيبات الأوستنيت (انظر الشكل 6) وتوقفت داخل الطبقة الكربوريزية. كان النواة بنية مقواة من المارتنزيت والباينيت.
الشكل 4. شوائب الكبريتيد وحفر التآكل على سطح الجدار الداخلي
الشكل 5. شوائب الكبريتيد في العينة المقطعية
الشكل 6. انتشار الشقوق على طول حدود حبيبات الأوستنيت
1.3 الملاحظة بالمجهر الإلكتروني الماسح
تم تحليل سطح الكسر الرئيسي الموضح في الشكل 2 والأسطح الطولية للكسر في المنطقتين A وB باستخدام مجهر إلكتروني ماسح. كان سطح الكسر مغطى بنواتج التآكل، حيث تم إثراء الكلور (w(Cl) = 17.11٪)، كما هو موضح في الشكل 7.
بعد إزالة نواتج التآكل من سطح الكسر الرئيسي باستخدام محلول الأسيتون، أظهرت الملاحظة أن طبقات السطح للجدران الداخلية والخارجية للكوع، ضمن عمق حوالي 0.84 مم، كانت تهيمن عليها الكسور بين الحبيبات. كانت هناك شقوق ثانوية محلية بين الحبيبات، تظهر نمطا واضحا من حلوى الصخور، كما هو موضح في الشكل 8. أظهرت المناطق المتبقية ميزات شبه شق بالإضافة إلى الانقسام وعددا قليلا من الشقوق الثانوية الدقيقة.
تم تحليل العينات المعدنية باستخدام مطياف تشتت الطاقة لمجهر الإلكترونات الماسحة. في حفر التآكل عند سطح الجدار الداخلي، بالإضافة إلى أكاسيد الحديد والسيلبولين، تم تخصيب الكلور وكمية صغيرة من الكبريت (الشكل 9). كان ذيل الشقوق متفرعا وأيضا مغذيا بالكلور (الشكل 10). كان الكبريتيد عند ذيل الشق عبارة عن كبريتيد المنغنيز، كما تم إثراء الكلور في التضمين (الشكل 11).
الشكل 7. تحليل EDS لناتج التآكل على سطح الكسر
الشكل 8. الكسور بين الحبيبات وميزات الشقوق الثانوية في طبقة سطح الجدار الخارجي
الشكل 9. تحليل الشكل وتحليل EDS لحفر التآكل عند سطح الجدار الداخلي للقسم
الشكل 10. تحليل EDS لناتج التآكل داخل الشق
الشكل 11. تحليل احتواء الكبريتيد عند ذيل الشقوق وتحليل EDS
2. تحليل النتائج
استنادا إلى نتائج الفحص السابقة، يمكن تحديد فشل الانفجار في وصلة دوارة على شاحنة التكسير في هذا الحقل النفطي أثناء عملية التكسير على أنه تشقق ناجم عن تآكل الإجهاد.
تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد هو نمط فشل لمكونات معدنية ناتج عن التأثير المشترك لإجهاد الشد، سواء كان إجهادا مطبقا أو إجهادا متبقيا، بالإضافة إلى وسط تآكلي. يتم تحليل العوامل المسببة لفشل الانفجار كما يلي.
1) يظهر تحليل SEM-EDS أن الكلور تم إثراؤه في حفر التآكل على الجدار الداخلي للكوع، وداخل الشقوق، وعند شوائب كبريتيد المنغنيز. الفشل بين الحبيبات هو أحد خصائص فشل التآكل الناتج عن الإجهاد. وهذا يشير إلى أن الوسط المسبب للتآكل الناتج عن الإجهاد في الكوع كان الكلوريد، وهو وسط قوي يسبب الإجهاد والتآكل. تم استخدام وصلة دوارة لمدة عام واحد فقط وتعرض لسائل تحمض (20٪ HCl + 1.5٪ HF + لاصق)، مما يدل على أن الكلوريد نشأ من HCl في السائل الحامض.
2) في بئر واحد، كان الوسط الحمضي المحقون أثناء التكسير الحمضي بين 400 متر مكعب إلى 1000 متر مكعب، وكان ضغط التكسير بين 50 ميغاباسكال و90 ميجا باسكال. لذلك، يحمل وصلة دوارة إجهاد شد كبير أثناء التشغيل، مما يوفر حالة إجهاد لتآكل الإجهاد.
3) تم تصنيع وصلة دوارة من 20 كرنيمو، وتركيبه الكيميائي وخصائصه الميكانيكية استوفى المتطلبات القياسية ذات الصلة. أظهر الفحص المعدني وجود العديد من كبريتيدات المنغنيز في المادة، مصنفة كفئة A3 وفقا لمعيار GB/T 10561-2005. وهذا يشير إلى ضعف نظافة الفولاذ. كمية كبيرة من الشوائب تقلل بشكل كبير من مقاومة الإجهاد والتآكل في الفولاذ. وجد الفحص المعدني أن حفر التآكل تشكلت عند شوائب كبريتيد المنغنيز وتشققات بدأت في قاع حفر التآكل. لذلك، كانت شوائب كبريتيد المنغنيز الشديدة في المادة وصلة دوارة نقاط بدء لحدوث تصدقات التآكل الناتجة عن الإجهاد، وكانت من العوامل التي تعزز فشل تآكل الإجهاد.
3. الخاتمة
كان فشل الانفجار في وصلة دوارة الشاحنة التكسرية في هذا الحقل النفطي أثناء عملية التكسير ناتج عن تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد. نظرا لأن المادة تحتوي على شوائب كبريتيد شديدة من المنغنيز، فإن تشققات التآكل التي بدأت عند شوائب كبريتيد المنغنيز تحت تأثير إجهاد الشد والوسط التآكلي للكلوريد، ثم انتشرت أكثر وتسببت في تمزق وصلة دوارة.
