Gong Guixian, Han Rongdong, Sun Yiqiang
(Institut de recherche de la Wuhan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan, Hubei 430080)
Résumé : La microscopie métallographique et la microscopie électronique à balayage ont été utilisées pour analyser la cause d’une rupture par explosion survenue lors d’un Raccord pivotant sur un camion de fracturation lors d’une opération de fracturation dans un champ pétrolif. Les résultats montrent que la rupture par rupture de la Raccord pivotant lors de la fracture était une fissuration par corrosion sous contrainte. Comme le matériau contenait de graves inclusions sulfurées de manganèse, des fissures de corrosion se sont déclenchées au niveau des inclusions de sulfure de manganèse sous l’action combinée de contrainte de traction et de milieu corrosif au chlorure, puis se sont propagées davantage et ont provoqué la rupture du Raccord pivotant.
Lors d’une opération de forage dans un champ pétrolif, un Raccord pivotant de 3 pouces (76,2 mm), 105 MPa, de style 50 utilisé sur un camion de fracturation a soudainement éclaté pendant l’opération de fracturation.
Le Raccord pivotant était fabriqué en 20CrNiMo et n’était en service que depuis environ un an. La réinspection a montré que sa composition chimique répondait aux exigences standard. Le procédé de production comprenait forge, normalisation, usinage brut, carburation et trempage, trempe à basse température et usinage final. Avant la livraison, un test de résistance corporelle à 158 MPa avait été réalisé conformément à la procédure d’essai d’usine pour les produits de contrôle de débit à haute pression, et le résultat du test répondait aux exigences.
Lors de l’opération de fracturation, le milieu en contact avec le Raccord pivotant était un liquide acidificant (20 % HCl + 1,5 % HF + adhésif). Pour un puits, le milieu acide injecté lors de la fracturation acide était de 400 m3 à 1 000 m3, et la pression de fracturation se situait entre 50 MPa et 90 MPa. Pour déterminer la cause de la rupture de rupture, des échantillons ont été prélevés dans la conduite qui fuit pour analyse. Cet article présente le processus d’analyse et les résultats.
1. Résultats d’inspection
1.1 Examen macroscopique
La figure 1 montre la photographie macroscopique reconstituée du coude éclaté. La surface de fracture était fortement corrodée, mais les caractéristiques de fracture fragile restaient très visibles. La figure 2 montre la surface de fracture transversale du coude, qui était la principale surface de fracture. On peut voir que la fracture s’est produite à l’épaule de scellement, avec trois origines évidentes situées aux positions A, B et C, comme l’indiquent les flèches de la Figure 2.
Figure 1. Photographie macroscopique du coude fracturé
Figure 2. Caractéristiques de la surface de fracture correspondantes du coude fracturé
Zone A : une fissure longitudinale a traversé l’épaisseur du mur. La surface longitudinale de fracture était recouverte d’une couche sévère de produits de corrosion. Après nettoyage avec une solution aqueuse chaude à base d’acide chlorhydrique, la morphologie de la fracture est illustrée à la Figure 3. La surface de fracture longitudinale pourrait être divisée en deux régions évidentes. Le côté près du mur intérieur était relativement plat, avec des motifs radiaux s’étendant de la surface du mur intérieur vers l’épaisseur du mur, indiquant que la fissure provenait du mur intérieur. Le côté près du mur extérieur était rugueux et fibreux ; Cette région était la zone finale de déchirure. Parallèlement, de nombreuses microfissures longitudinales ont été découvertes à la surface de la paroi intérieure, montrant que la formation de la fissure longitudinale était liée à des microfissures sur la surface de la paroi intérieure.
Figure 3. Morphologie de la fracture de la fissure longitudinale à la zone A
Zone B : les caractéristiques étaient généralement les mêmes que celles de la zone A.
Zone C : cette zone représentait environ un cinquième de toute la surface de fracture. Il y avait plusieurs petits quais en couches sur la section, avec des bandes radiales évidentes sur les quais. Les bandes convergeaient au bas de l’épaule d’étanchéité extérieure, là où l’épaisseur du mur était relativement fine.
Sur la base des caractéristiques ci-dessus, la séquence de fracture-développement peut être observée comme suit : des microfissures sur les surfaces des parois internes des zones A et B propagées à la fois longitudinalement et transversalement. Après une certaine limite de propagation, une fissure transversale s’est formée au bas de l’épaule d’étanchéité dans la zone C et a finalement causé une fracture transversale.
1.2 Examen métallographique
L’examen macroscopique a révélé de nombreuses microfissures longitudinales sur les surfaces des parois intérieures aux zones A et B illustrées à la Figure 2. Après le meulage de la surface de la paroi intérieure, des fosses de corrosion ont été observées à proximité des fissures. Ces fosses de corrosion s’activent souvent au niveau des inclusions sulfurées (voir Figure 4). Un échantillon métallographique transversal prélevé à travers le fond d’une fosse de corrosion a montré que la fissure se propageait en zigzag le long de la direction de l’épaisseur de paroi du coude. Des produits de corrosion étaient présents à l’intérieur de la fissure, et des inclusions sulfurées pouvaient souvent être observées à la queue de fissure.
Un échantillon métallographique longitudinal a montré de nombreuses inclusions sulfurées fines en bande (voir Figure 5), classées Grade A3 selon la norme GB/T 10561-2005.
Les mesures ont montré que la profondeur de la couche carburisée sur les parois intérieure et extérieure de l’échantillon était de 1,2 à 1,4 mm, répondant aux exigences techniques pertinentes.
La microstructure de surface des parois intérieure et extérieure du spécimen était composée de martensite grossièrement tempérée plus de l’austénite conservée. La taille des grains de l’austénite antérieure était de grade 8. Les fissures se propageaient le long des bordures des grains d’austénite (voir Figure 6) et s’arrêtaient à l’intérieur de la couche carburée. Le noyau était une structure trempée composée de martensite et de bainite.
Figure 4. Inclusions sulfurées et fosses de corrosion sur la surface du mur intérieur
Figure 5. Inclusions sulfurées dans l’échantillon sectionnel
Figure 6. Propagation des fissures le long des bordures de grains d’austénite
1.3 Observation au microscope électronique à balayage
La principale surface de fracture illustrée à la Figure 2 et les surfaces longitudinales de fracture aux zones A et B ont été analysées au microscope électronique à balayage. La surface de fracture était recouverte de produits de corrosion, dans lesquels le chlore était enrichi (w(Cl) = 17,11 %), comme montré à la Figure 7.
Après l’élimination des produits de corrosion sur la surface principale de fracture avec une solution d’acétone, l’observation a montré que les couches superficielles des parois interne et extérieure du coude, à une profondeur d’environ 0,84 mm, étaient dominées par la fracture intergranulaire. Des fissures intergranulaires secondaires locales étaient présentes, montrant un motif rocheux évident, comme montré à la Figure 8. Les zones restantes présentaient des caractéristiques quasi-clivages plus clivages ainsi qu’un petit nombre de fines fissures secondaires.
Les spécimens métallographiques ont été analysés avec le spectromètre à dispersion d’énergie du microscope électronique à balayage. Dans les fosses de corrosion à la surface de la paroi intérieure, en plus des oxydes de Fe et de Si, le chlore et une petite quantité de soufre ont été enrichis (Figure 9). La queue de fissure était ramifiée et également enrichie en chlore (Figure 10). Le sulfure à la queue de fissure était du sulfure de manganèse, et le chlore était également enrichi dans cette inclusion (Figure 11).
Figure 7. Analyse EDS des produits de corrosion sur la surface de fracture
Figure 8. Fractures intergranulaires et fissures secondaires dans la couche superficielle de la paroi externe
Figure 9. Analyse morphologique et EDS des fosses de corrosion à la surface de la paroi intérieure de la section
Figure 10. Analyse EDS des produits de corrosion à l’intérieur de la fissure
Figure 11. Inclusion de sulfures à la queue de fissure et analyse de l’EDS
2. Analyse des résultats
Sur la base des résultats de l’inspection ci-dessus, la rupture par rupture du Raccord pivotant sur le camion de fracturation dans ce champ pétrolier lors de l’opération de fracturation peut être identifiée comme une fissuration par corrosion sous contrainte.
La fissuration par corrosion sous contrainte est un mode de rupture des composants métalliques causé par l’action combinée de contraintes de traction, soit de contraintes appliquées, soit de contraintes résiduelles, et d’un milieu corrosif. Les facteurs responsables de la défaillance de la décharge sont analysés comme suit.
1) L’analyse SEM-EDS montre que le chlore était enrichi dans les fosses de corrosion sur la paroi interne du coude, à l’intérieur des fissures et au niveau des inclusions de sulfure de manganèse. La rupture intergranulaire est une caractéristique de la rupture par corrosion sous contrainte. Cela indique que le milieu responsable de la corrosion sous contrainte dans le coude était le chlorure, un solide milieu de corrosion sous contrainte. Le Raccord pivotant n’avait été utilisé que depuis environ un an et a été exposé à un liquide acidificant (20 % HCl + 1,5 % HF + adhésif), montrant que le chlorure provenait du HCl dans le fluide acidisant.
2) Pour un puits, le milieu acide injecté lors de la fracturation acide était de 400 m3 à 1 000 m3, et la pression de fracturation était comprise entre 50 MPa et 90 MPa. Ainsi, le Raccord pivotant supporte une forte contrainte de traction pendant le fonctionnement, fournissant la condition de contrainte pour la corrosion sous contrainte.
3) Le Raccord pivotant était fabriqué en 20CrNiMo, et sa composition chimique ainsi que ses propriétés mécaniques répondaient aux exigences standard pertinentes. L’examen métallographique a révélé de nombreuses inclusions de sulfure de manganèse dans le matériau, classées Grade A3 selon la norme GB/T 10561-2005. Cela indique une mauvaise propreté de l’acier. Une grande quantité d’inclusions réduit considérablement la résistance à la corrosion sous contrainte de l’acier. L’examen métallographique a révélé que des fosses de corrosion se formaient au niveau des inclusions de sulfure de manganèse et des fissures initiées au fond des fosses de corrosion. Par conséquent, les inclusions sévères de sulfure de manganèse dans le matériau Raccord pivotant étaient des points d’initiation des fissures de corrosion sous contrainte et constituaient l’un des facteurs favorisant la rupture de corrosion sous contrainte.
3. Conclusion
La rupture par rupture du Raccord pivotant sur le camion de fracturation dans ce champ pétrolifère lors de l’opération de fracturation était une fissuration par corrosion sous contrainte. Comme le matériau contenait de graves inclusions sulfurées de manganèse, des fissures de corrosion se sont déclenchées au niveau des inclusions de sulfure de manganèse sous l’action combinée de contrainte de traction et de milieu corrosif au chlorure, puis se sont propagées davantage et ont provoqué la rupture du Raccord pivotant.
