油井管是石油、天然氣開采過程中的重要部件,其中J55鋼級油井管占國內油井管總需求量的50％以上[1-2],J55鋼級油井管是石油管材產品中的普通鋼級產品,用于地質條件相對較好、井深較淺的環境。國內廠家生產的J55鋼級油井管材料一般為37Mn5鋼。 

由于套管鉆井技術的應用以及采油工藝的特殊性,油井管長期在交變載荷下工作,并在多處與抽油桿接箍及桿體發生接觸摩擦,加上井內液體腐蝕等因素的影響,油井管連接螺紋處經常發生疲勞斷裂、破損、偏磨、腐蝕等現象,嚴重影響了油田的正常生產,并造成巨大經濟損失[3-6]。一般來說,水井的地質條件、深度及作業環境等比油氣井好,因此在水井的開采中常常使用J55油井管產品。 

某水井開采時,設計使用規格為177.8 mm×8.05 mm（外徑×壁厚,下同）的J55套管,工程實際采用規格為177.8 mm×6.91 mm 的J55套管,鋼管在下井過程中發生斷裂現象。共計下井80多支鋼管,斷裂發生在從井口向下的第10支鋼管上,斷裂位置為非接箍處。筆者采用一系列理化檢驗方法對鋼管斷裂原因進行分析,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

截取斷裂鋼管的上半部分作為試樣,斷裂鋼管試樣的宏觀形貌如圖1所示。鋼管表面及斷口被氧化銹蝕,從鋼管整體形貌判斷,鋼管在豎直井中受到拉力作用并發生塑性變形,導致鋼管斷裂,且鋼管塑性變形量較大。 

圖  1  斷裂鋼管試樣的宏觀形貌

鋼管斷口4號試樣外表面有明顯的縱向裂紋缺陷（見圖2）,縱向裂紋與斷裂橫截面垂直相交,呈丁字形,判斷裂紋源在4號位置附近。從截面看,該處裂紋已貫穿鋼管的內、外表面。 

圖  2  鋼管斷口4號試樣宏觀形貌

1.2   化學成分分析

從斷裂鋼管上取樣,利用ICP-AES電感耦合等離子發射光譜儀測試其化學成分,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分滿足API 5CT 《套管和油管規范》要求,且P、S元素含量控制得較好。 

1.3   力學性能測試

在遠離斷口位置取樣,并按API 5CT要求進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗,試驗結果如表2所示。由表2可知：所取試樣的力學性能均符合材料的使用要求。 

1.4   金相檢驗

用光學顯微鏡對試樣的組織進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為珠光體+網狀鐵素體,內表面存在混晶組織,中部和外表面的組織比較均勻,晶粒度為5.5級。 

圖  3  鋼管橫截面內表面、中部、外表面的顯微組織形貌

對鋼管斷面的5個部位進行分析,分別編號為1~5號,其中1號和4號試樣的裂紋比較典型,分別對這兩個試樣的情況進行分析。 

將4號試樣切掉上半部分后觀察,發現裂紋從外表面起裂,深入基體約4 mm。 

對斷口面進行磨制、拋光,再置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知,裂紋周圍無明顯非金屬夾雜物。用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知,該部位組織存在明顯的混晶現象。裂紋從鋼管外表面由細到粗再到細擴展,鋼管外表面起始裂紋處一側有脫碳現象,在內表面裂紋變粗處,晶粒有變形特征；從裂紋的尖端看,裂紋呈沿晶開裂特征,并逐漸變細。 

圖  4  拋光態裂紋及非金屬夾雜物微觀形貌

圖  5  腐蝕后裂紋周圍微觀形貌

進一步觀察斷口附近的顯微組織,發現該斷口附近的組織為珠光體+網狀鐵素體（見圖6）。由圖6可知：裂紋附近和基體均存在明顯的混晶現象,小晶粒的晶粒度級別為8~9級,大晶粒的晶粒度級別為2~3級,且大晶粒的比例占到40%以上,裂紋處存在粗大晶粒,且裂紋旁的晶粒有明顯變形。 

圖  6  斷口附近的顯微組織形貌

1號試樣的位置為鋼管斷面的瞬斷區附近,裂口由外表面向內表面延伸,但沒有貫穿。 

對1號試樣缺陷處外表面進行磨制、拋光和觀察,結果如圖7所示。由圖7可知：裂紋處未觀察到非金屬夾雜物,從斷口的底部可以明顯看到鋼管外表面存在縱向裂紋缺陷。 

圖  7  拋光態裂紋微觀形貌

用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖8所示。由圖8可知：斷口周圍組織為珠光體+網狀鐵素體,混晶現象不明顯,斷口一側有脫碳現象。說明鋼管外表面存在原始的細小縱向裂紋。 

圖  8  腐蝕后裂紋周圍顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）分析

將斷口試樣進行超聲清洗后,置于掃描電鏡下觀察,結果如圖9所示。由圖9可知：斷口銹蝕嚴重,微觀形貌以韌窩為主,呈韌性斷裂特征。 

圖  9  鋼管斷口4號試樣SEM形貌

2.   綜合分析

該斷裂鋼管的化學成分、力學性能均符合標準要求,但鋼管的沖擊性能一般。裂紋周邊未見異常。鋼管基體組織存在混晶現象。 

從鋼管斷口處典型的金相檢驗結果可以看到,裂紋由外表面起始向內擴展,并呈現由細到粗再到細的特點。鋼管外表面起始裂紋處的脫碳現象說明鋼管外表面存在原始細小裂紋。另外,裂紋附近組織混晶現象嚴重,晶粒存在明顯變形。通過以上分析可以推斷：該J55套管斷裂的原因是鋼管在超設計使用過程中,鋼管所承受的拉力和扭轉力達到了鋼管截面實際所能承受的極限值,這時鋼管外表面局部存在的細小裂紋成為了斷裂起裂源,再加上裂紋處粗大的晶粒使晶界的曲折減少,導致裂紋沿粗大晶粒的晶界傳播,并在外力的作用下向內表面擴展,最終導致鋼管發生斷裂現象。 

采用37Mn5鋼生產的J55套管在熱軋狀態下的組織一般為珠光體+網狀鐵素體,網狀鐵素體的存在破壞了組織的連續性,在一定程度上降低了材料的塑性、沖擊韌性和疲勞韌性[7-8],這就使得J55油井管的使用條件受到一定限制。對于水井開采來說,采用J55鋼級的鋼管是可行的,但一定要根據下井深度等條件設計好所使用鋼管的外徑和壁厚。鉆井工程設計要求使用規格為177.8 mm×8.05 mm的J55套管,而實際使用了177.8 mm×6.91 mm套管,鋼管處于超負荷服役狀態,鋼管承受了過大的力,這也是鋼管斷裂的原因之一。 

3.   結語及建議

（1）J55鋼管斷裂模式為塑性斷裂,且斷裂原因不是化學成分、力學性能和非金屬夾雜物不合格。 

（2）由鋼管斷口的初步分析可知,鋼管表面存在的細小裂紋缺陷和不良的混晶組織,再加上鋼管的超設計使用是鋼管斷裂掉井的主要原因。 

（3）建議控制好管坯的加熱溫度,避免終軋溫度偏高,尤其對于終軋道次變形量較小規格的管坯尤其重要,以避免混晶組織的產生。可以通過正火熱處理方式消除產生的混晶組織。 

（4）37Mn5鋼在熱軋狀態下的組織一般為珠光體+網狀鐵素體,在熱軋時要避免管坯加熱溫度過高而造成材料的晶粒度粗大以及產生混晶。建議采取正火并控制冷卻速率的熱處理方式消除網狀鐵素體,以提高鋼管的塑性和韌性。

文章來源——材料與測試網