Gong Guixian, Han Rongdong, Sun Yiqiang
(Instituto de Pesquisa da Wuhan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan, Hubei 430080)
Resumo: Microscopia metalográfica e microscopia eletrônica de varredura foram usadas para analisar a causa de uma falha de explosão que ocorreu em um Junta giratória em um caminhão fraturador durante uma operação de fraturamento em um campo petrolífero. Os resultados mostram que a falha por explosão do Junta giratória durante a operação de fraturamento foi trinca por corrosão sob tensão. Como o material continha inclusões severas de sulfeto de manganês, rachaduras de corrosão iniciadas nas inclusões de sulfeto de manganês sob a ação combinada de tensão de tração e meio corrosivo de cloreto, depois se propagaram ainda mais e causaram a ruptura do Junta giratória.
Durante uma operação de perfuração em um campo petrolífero, um Junta giratória de 3 pol (76,2 mm), 105 MPa, Estilo 50, usado em um caminhão fraturador, explodiu repentinamente durante a operação de fraturação.
O Junta giratória era feito de 20CrNiMo e estava em serviço há apenas cerca de um ano. A reinspeção mostrou que sua composição química atendia aos requisitos padrão. O processo de produção consistia em forjamento, normalização, usinagem bruta, carburização e têmpera, têmpera em baixa temperatura e usinagem final. Antes da entrega, um teste de resistência corporal a 158 MPa foi realizado de acordo com o Procedimento de Teste de Fábrica para Produtos de Controle de Fluxo de Alta Pressão, e o resultado do teste atendeu aos requisitos.
Durante a operação de fraturação, o meio em contato com o Junta giratória era fluido acidificante (20% HCl + 1,5% HF + adesivo). Para um poço, o meio ácido injetado durante a fraturação ácida era de 400 m³ a 1.000 m³, e a pressão de fraturação estava entre 50 MPa e 90 MPa. Para determinar a causa da falha do rompimento, amostras foram coletadas do tubo vazante para análise. Este artigo apresenta o processo de análise e os resultados.
1. Resultados da Inspeção
1.1 Exame Macroscópico
A Figura 1 mostra a fotografia macroscópica remontada do cotovelo estourado. A superfície da fratura estava severamente corroída, mas as características de fratura frágil ainda eram muito evidentes. A Figura 2 mostra a superfície transversal de fratura do cotovelo, que era a principal superfície de fratura. Pode-se observar que a fratura ocorreu no ombro de vedação, com três origens óbvias localizadas nas posições A, B e C, conforme indicado pelas setas na Figura 2.
Figura 1. Fotografia macroscópica do cotovelo fraturado
Figura 2. Características da superfície de fratura correspondentes do cotovelo fraturado
Área A: uma rachadura longitudinal penetrou através da espessura da parede. A superfície longitudinal da fratura foi coberta por uma camada severa de produtos de corrosão. Após a limpeza com solução aquosa quente de ácido clorídrico, a morfologia da fratura é mostrada na Figura 3. A superfície longitudinal de fratura pode ser dividida em duas regiões óbvias. O lado próximo à parede interna era relativamente plano, com padrões radiais que se estendiam da superfície da parede interna em direção à espessura da parede, indicando que a rachadura se originou na parede interna. O lado próximo à parede externa era áspero e fibroso; essa região foi a última zona de rasgamento. Ao mesmo tempo, muitas microfissuras longitudinais foram encontradas na superfície da parede interna, mostrando que a formação da trinca longitudinal estava relacionada a microfissuras na superfície da parede interna.
Figura 3. Morfologia da fratura da fissura longitudinal na Área A
Área B: as características eram geralmente as mesmas da Área A.
Área C: essa área representava cerca de um quinto de toda a superfície da fratura. Havia várias pequenas plataformas em camadas na seção, com faixas radiais evidentes nas plataformas. As faixas convergiam na base do ombro externo de vedação, onde a espessura da parede era relativamente fina.
Com base nas características acima, a sequência de fratura-desenvolvimento pode ser observada da seguinte forma: microfissuras nas superfícies internas das paredes das Áreas A e B propagadas tanto em direção longitudinal quanto transversal. Após a propagação atingir certo ponto, uma rachadura transversal formou-se na parte inferior do ombro de vedação na Área C e finalmente causou fratura transversal.
1.2 Exame Metalográfico
O exame macroscópico encontrou muitas microfissuras longitudinais nas superfícies internas das paredes nas Áreas A e B mostradas na Figura 2. Após a moagem da superfície da parede interna, foram observadas fossas de corrosão nas trincas e próximas a elas. Essas fossas de corrosão frequentemente iniciadas em inclusões de sulfeto (ver Figura 4). Uma amostra metalográfica transversal feita através do fundo de um poço de corrosão mostrou que a trinca se propagava em forma de ziguezague ao longo da direção de espessura da parede do cotovelo. Produtos de corrosão estavam presentes dentro da trinca, e inclusões sulfetadas podiam ser frequentemente vistas na cauda da trinca.
Uma amostra metalográfica longitudinal mostrou muitas inclusões de sulfeto em forma de tira fina (ver Figura 5), classificadas como Grau A3 segundo GB/T 10561-2005.
A medição mostrou que a profundidade da camada carburizada nas paredes interna e externa da amostra era de 1,2 a 1,4 mm, atendendo aos requisitos técnicos relevantes.
A microestrutura superficial das paredes interna e externa do espécime era composta por martensita temperada grosseira mais austenita retida. O tamanho do grão de austenita anterior era Grau 8. Rachaduras se propagaram ao longo dos limites dos grãos de austenita (ver Figura 6) e pararam dentro da camada carburizada. O núcleo era uma estrutura temperada de martensita e bainita.
Figura 4. Inclusões de sulfeto e fossos de corrosão na superfície interna da parede
Figura 5. Inclusões sulfetas na amostra seccional
Figura 6. Propagação de trincas ao longo das fronteiras de grãos de austenita
1.3 Observação com Microscópio Eletrônico de Varredura
A principal superfície de fratura mostrada na Figura 2 e as superfícies longitudinais de fratura nas Áreas A e B foram analisadas com um microscópio eletrônico de varredura. A superfície da fratura foi coberta com produtos de corrosão, nos quais o cloro foi enriquecido (w(Cl) = 17,11%), conforme mostrado na Figura 7.
Após a remoção dos produtos de corrosão na superfície principal da fratura com solução de acetona, a observação mostrou que as camadas superficiais das paredes interna e externa do cotovelo, com profundidade de cerca de 0,84 mm, eram dominadas pela fratura intergranular. Rachaduras intergranulares secundárias locais estavam presentes, mostrando um padrão óbvio de caramelo de pedra, como mostrado na Figura 8. As áreas restantes apresentaram características de quase-clivagem mais clivagem e um pequeno número de finas fissuras secundárias.
As amostras metalográficas foram analisadas com o espectrômetro de dispersão de energia do microscópio eletrônico de varredura. Nos poços de corrosão na superfície da parede interna, além dos óxidos de Fe e Si, o cloro e uma pequena quantidade de enxofre foram enriquecidos (Figura 9). A cauda da rachadura era ramificada e também enriquecida com cloro (Figura 10). O sulfeto na cauda da trinca era sulfeto de manganês, e o cloro também foi enriquecido na inclusão (Figura 11).
Figura 7. Análise EDS de produtos de corrosão na superfície da fratura
Figura 8. Características de fratura intergranular e fissura secundária na camada superficial da parede externa
Figura 9. Morfologia e análise EDS de poços de corrosão na superfície interna da parede da seção
Figura 10. Análise EDS de produtos de corrosão dentro da trinca
Figura 11. Inclusão de sulfeto na cauda da trinca e análise do EDS
2. Análise de Resultados
Com base nos resultados da inspeção acima, a falha por explosão do Junta giratória no caminhão de fraturamento neste campo petrolífero durante a operação de fraturamento pode ser identificada como trinca por corrosão sob tensão.
A trinca por corrosão sob tensão é um modo de falha dos componentes metálicos causado pela ação combinada de tensão à tração, seja tensão aplicada ou tensão residual, e um meio corrosivo. Os fatores que causam a falha da explosão são analisados da seguinte forma.
1) A análise SEM-EDS mostra que o cloro foi enriquecido nas fossas de corrosão na parede interna do cotovelo, dentro das fissuras e nas inclusões de sulfeto de manganês. A falha intergranular é uma característica da falha por corrosão sob tensão. Isso indica que o meio que causava a corrosão sob tensão no cotovelo era cloreto, um meio forte de corrosão sob tensão. O Junta giratória foi usado por apenas cerca de um ano e foi exposto a fluido acidificante (20% HCl + 1,5% HF + adesivo), mostrando que o cloreto se originou do HCl no fluido acidificante.
2) Para um poço, o meio ácido injetado durante a fraturação ácida era de 400 m³ a 1.000 m³, e a pressão de fraturação estava entre 50 MPa e 90 MPa. Portanto, o Junta giratória suporta uma grande tensão de tração durante a operação, proporcionando a condição de tensão para a corrosão sob tensão.
3) O Junta giratória era feito de 20CrNiMo, e sua composição química e propriedades mecânicas atendiam aos requisitos padrão relevantes. O exame metalográfico mostrou muitas inclusões de sulfeto de manganês no material, classificadas como Grau A3 segundo GB/T 10561-2005. Isso indica má limpeza do aço. Uma grande quantidade de inclusões reduz significativamente a resistência à corrosão sob tensão do aço. O exame metalográfico constatou que fossos de corrosão se formaram em inclusões de sulfeto de manganês e trincas iniciadas no fundo dos poços de corrosão. Portanto, as severas inclusões de sulfeto de manganês no material Junta giratória foram pontos de início para rachaduras por corrosão sob tensão e foram um dos fatores que impulsionaram a falha por corrosão sob tensão.
3. Conclusão
A falha por explosão do Junta giratória no caminhão de fraturação neste campo petrolífero durante a operação de fraturação foi fissura por corrosão sob tensão. Como o material continha inclusões severas de sulfeto de manganês, rachaduras de corrosão iniciadas nas inclusões de sulfeto de manganês sob a ação combinada de tensão de tração e meio corrosivo de cloreto, depois se propagaram ainda mais e causaram a ruptura do Junta giratória.
