Гун Гуйсянь, Хань Жундун, Сунь Ицян
(Исследовательский институт Уханьской железо-сталелитейной корпорации (группа), Ухань, Хубэй 430080)
Аннотация: Металлографическая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия были использованы для анализа причины разрыва, произошедшего в Шарнирное колено на гидроразрывном грузовике во время гидроразрыва разрыва пласта на нефтяном месторождении. Результаты показывают, что разрыв Шарнирное колено во время разрыва разрыва был коррозионным трещинанием под напряжением. Поскольку материал содержал сильные включения сульфида марганца, коррозионные трещины, возникающие в этих накоплениях под совместным действием растягивающего напряжения и коррозионной среды хлоридов, затем распространялись дальше и приводили к разрыву Шарнирное колено.
Во время бурения на нефтяном месторождении неожиданно лопнул Шарнирное колено типа 50 калибром 3 дюйма (76,2 мм), 105 МПа, используемый на гидроразрывном грузовике.
Шарнирное колено был изготовлен из 20CrNiMo и находился в эксплуатации всего около года. Повторная проверка показала, что его химический состав соответствует стандартным требованиям. Производственный процесс включал ковку, нормализацию, грубую обработку, карбюризацию и закалку, низкотемпературную закалку и окончательную обработку. Перед поставкой был проведён тест на крепкость корпуса при 158 МПа в соответствии с заводской процедурой испытаний для продуктов управления потоком высокого давления, и результаты испытаний соответствовали требованиям.
Во время гидроразрыва среда, контактировавшая с Шарнирное колено, представляла собой кислотующую жидкость (20% HCl + 1,5% HF + клей). Для одной скважины размер кислотной среды, вводящейся при разрыве кислоты, составлял от 400 м3 до 1000 м3, а давление разрыва составляло от 50 МПа до 90 МПа. Чтобы определить причину разрыва, из протекающей трубы для анализа взяли образцы. В этой статье представлен процесс анализа и его результаты.
1. Результаты инспекции
1.1 Макроскопическое исследование
На рисунке 1 показана собранная макроскопическая фотография вспышного локтя. Поверхность трещины была сильно корродирована, но признаки хрупкости всё ещё были очень заметны. На рисунке 2 показана поперечная поверхность перелома локтя, которая была основной поверхностью перелома. Видно, что перелом произошёл на запечатывающем плече, с тремя явными источниками перелома, расположенных в позициях A, B и C, что показано стрелками на рисунке 2.
Рисунок 1. Макроскопическая фотография перелома локтя.
Рисунок 2. Совпадение поверхностей перелома перелома локтя
Область A: продольная трещина, прошедшая через толщину стенки. Продольная поверхность трещины была покрыта сильным слоем коррозионных продуктов. После очистки горячим водным раствором гидрохлорной кислоты морфология разрушения показана на рисунке 3. Продольная поверхность трещины можно разделить на две очевидные области. Сторона возле внутренней стены была относительно плоской, с радиальными узорами, простирающимися от поверхности внутренней стены к толщине стены, что указывает на то, что трещина возникла от внутренней стены. Сторона возле внешней стены была шероховатой и волокнистой; Этот регион был последней зоной разрыва. В то же время на поверхности внутренней стенки было обнаружено множество продольных микротрещин, что свидетельствует о том, что её образование связано с микротрещинами на поверхности внутренней стенки.
Рисунок 3. Морфология трещины продольной трещины в области A
Область B: характеристики в целом были такими же, как у Area A.
Область C: эта область составляла примерно пятую часть всей поверхности трещины. На участке было несколько небольших многослойных платформ с явными радиальными полосами на платформах. Полосы сходились в нижней части внешнего уплотнительного плеча, где толщина стенки была относительно тонкой.
Исходя из вышеуказанных признаков, последовательность развития трещин можно наблюдать следующим образом: микротрещины на поверхностях внутренней стенки областей A и B распространяются как продольно, так и поперечно. После достижения определённой степени распространения поперечная трещина образовалась внизу герметичного плеча в зоне C, которая в конечном итоге вызвала поперечный перелом.
1.2 Металлографическое исследование
Макроскопическое исследование выявило множество продольных микротрещин на поверхностях внутренней стенки в зонах A и B, показанных на рисунке 2. После шлифовки поверхности внутренней стенки были обнаружены коррозионные ямы в и рядом с трещинами. Эти коррозионные ямы часто возникали при сульфидных включениях (см. рисунок 4). Поперечный металлографический образец, проведённый через дно коррозионной ямы, показал, что трещина распространяется зигзагообразной формой вдоль направления толщины стенки на уровне локтя. Внутри трещины находились коррозионные продукты, а сульфидные включения часто можно было заметить на хвосте трещины.
Продольный металлографический образец демонстрировал множество мелких полосатых сульфидных включений (см. рисунок 5), оценённых как класс A3 согласно GB/T 10561-2005.
Измерения показали, что глубина карбюризированного слоя на внутренней и внешней стенках образца составляла 1,2–1,4 мм, что соответствует соответствующим техническим требованиям.
Поверхностная микроструктура внутренней и наружной стенок образца была крупно закалённым мартензитом с сохранившимся аустенитом. Размер зерна априор-аустенита был 8-й степени. Трещины распространялись вдоль границ аустенитовых зерен (см. рисунок 6) и заканчивались внутри карбюризированного слоя. Сердцевина представляла собой закалённую структуру из мартенсита и бейнита.
Рисунок 4. Сульфидные включения и коррозионные ямы на поверхности внутренней стенки
Рисунок 5. Сульфидные включения в секционном образце
Рисунок 6. Размножение трещин вдоль границ аустенитовых зерен
1.3 Наблюдение сканирующего электронного микроскопа
Основная поверхность разрушения, показанная на рисунке 2, и продольные поверхности трещины в областях A и B были проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа. Поверхность разрушения была покрыта продуктами коррозии, в которых хлор обогащался (w(Cl) = 17,11%), как показано на рисунке 7.
После удаления продуктов коррозии на основной поверхности трещины с помощью ацетонового раствора, наблюдения показали, что поверхностные слои внутренней и внешней стенок локтя на глубине около 0,84 мм были покрыты межгранулярным разрушением. Местные вторичные межгранулярные трещины присутствовали, демонстрируя явный рисунок «каменной конфеты», как показано на рисунке 8. Оставшиеся участки демонстрировали квази-расщепление с элементами расщепления и небольшое количество мелких вторичных трещин.
Металлографические образцы анализировались с помощью энергодисперсионного спектрометра сканирующего электронного микроскопа. В коррозионных ямах на внутренней поверхности стенки, помимо оксидов Fe и Si, обогащались хлор и небольшое количество серы (рисунок 9). Трещинный хвост был ветвлёным и также обогащён хлором (рисунок 10). Сульфид в хвосте трещины состоял из марганцевого сульфида, а хлор также был обогащён в добавлении (рисунок 11).
Рисунок 7. EDS-анализ продуктов коррозии на поверхности разрушения
Рисунок 8. Межгранулярные трещины и вторичные трещины в поверхности внешней стенки
Рисунок 9. Морфология и анализ EDS коррозионных ям на поверхности внутренней стенки участка
Рисунок 10. EDS-анализ продуктов коррозии внутри трещины
Рисунок 11. Включение сульфидов в хвосте трещины и анализ EDS
2. Анализ результатов
На основании приведённых выше результатов инспекции разрыв Шарнирное колено на гидроразрывной машине на этом нефтяном месторождении во время разрыва разрыва может быть идентифицирован как коррозионные трещины под напряжением.
Коррозионное трещиние — это способ разрушения металлических компонентов, вызванный совместным воздействием растягивающих напряжений, приложенных или остаточных напряжений, а также коррозионной среды. Факторы, вызвавшие разрыв импульса, анализируются следующим образом.
1) Анализ SEM-EDS показывает, что хлор обогащался в коррозионных ямах на внутренней стенке локтя, внутри трещин и в включениях марганцевого сульфида. Межгранулярное разрушение — одна из характеристик коррозионного разрушения под напряжением. Это указывает на то, что средой, вызывающей коррозию под напряжением в локте, был хлорид — сильная коррозионная среда. Шарнирное колено использовался всего около года и подвергался воздействию кислотной жидкости (20% HCl + 1,5% HF + адгезив), что свидетельствует о происхождении хлорида из HCl в окисляющей жидкости.
2) Для одной скважины размер кислотной среды, введённой при разломе кислоты, составлял от 400 м3 до 1 000 м3, а давление разрыва составляло от 50 МПа до 90 МПа. Таким образом, Шарнирное колено во время работы создаёт большое растягивающее напряжение, обеспечивая условия для коррозии под напряжением.
3) Шарнирное колено был изготовлен из 20CrNiMo, а его химический состав и механические свойства соответствовали соответствующим требованиям стандарта. Металлографическое исследование выявило множество включений сульфида марганца в материале, класс A3 согласно GB/T 10561-2005. Это указывает на плохую чистоту стали. Большое количество включений значительно снижает устойчивость стали к коррозии к напряжениям. Металлографическое исследование показало, что коррозионные ямы образовались на включениях и трещинах на дне коррозионных ям. Поэтому сильные включения сульфида марганца в Шарнирное колено материале были отправными точками для коррозионных трещин под напряжением и были одним из факторов, способствующих коррозионному разрушению под напряжением.
3. Заключение
Разрыв Шарнирное колено на гидроразрывной машине в этом нефтяном месторождении во время разрыва разрыва связан с коррозионным трещинанием под напряжением. Поскольку материал содержал сильные включения сульфида марганца, коррозионные трещины, возникающие в этих накоплениях под совместным действием растягивающего напряжения и коррозионной среды хлоридов, затем распространялись дальше и приводили к разрыву Шарнирное колено.
