分享：某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因

陈 猛,欧阳志英,余世杰 (上海海隆石油管材研究所,上海 200949) 

摘 要:某井S135钢级钻杆在钻进约2395m 时发生腐蚀失效。采用宏观形貌、断口形貌观 察,显微组织分析,化学成分、硬度、腐蚀产物成分测试对其失效原因进行了分析。结果表明:该钻 杆的失效方式为腐蚀疲劳失效,钻杆内壁的氧含量偏高及内壁加厚过渡带区域存在应力集中,导致 加厚过渡带区域发生严重点蚀,点蚀坑底部萌生疲劳裂纹并扩展,最终钻杆失效;建议使用内壁带 防腐涂层的钻杆,并在钻井液中添加缓蚀剂,降低溶解氧对内壁的腐蚀作用,同时优化井深结构,减 缓内壁加厚过渡带区域的应力集中。 

关键词:S135钢级钻杆;加厚过渡带区域;点蚀;氧含量;应力集中;疲劳裂纹 中图分类号:TH142.2 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)03-0093-05

0 引 言

 一批新钻杆在某井中累计钻进约2395 m,钻 进时间约1380h时发生腐蚀失效。钻井液为氯化 钾聚磺水基溶液,pH 为9.5。钻杆起钻后拉回基地 做定期检测(漏磁探伤和人工复检),发现部分钻杆 内壁存在较深的腐蚀坑,主要集中在内壁加厚过渡 带区域,并且个别腐蚀坑存在裂纹。失效钻杆材料 为S135级调质钢,规格为?139.7mm×9.17mm,管 端加厚形式为内外加厚(IEU),接头形式为5???″FH 双台肩,钻杆内壁无防腐涂层。为找到钻杆发生腐 蚀失效的原因,作者对其进行了失效分析。

 1 理化检验及结果

 1.1 宏观形貌 

由图1可以看出,失效钻杆内壁腐蚀较为严重 且以点蚀为主,表面存在大小、深浅不一的点蚀坑, 点蚀坑区域存在黑色腐蚀产物。采用漏磁探伤和人 工复检进一步检查发现内壁加厚过渡带区域的点蚀 坑较为密集且较深,如图2所示,部分点蚀坑深度约 0.63mm,推算其腐蚀速率约2.19 mm·a -1。根据 93 陈 猛,等:某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因 图1 失效钻杆内壁宏观形貌 Fig.1 Macromorphologyoffaileddrillpipeinnerwall 图2 点蚀坑宏观形貌 Fig.2 Macromorphologyofpits 文献[1]和SY/T0087-1995,该钻杆发生了极严重 的腐蚀。 采用工业盐酸将失效钻杆热蚀1h [2]后,点蚀 坑更明显,且点蚀坑区域可见明显的裂纹(矩形区 域),裂纹整体较为平直,呈周向扩展,长度在钻杆壁 厚的80%以上,如图3所示。根据 DS-1,该钻杆达 到报废标准。 图3 失效钻杆热蚀1h后的宏观形貌 Fig.3 Macromorphologyoffaileddrillpipeafterhotcorrosion1h

 1.2 微观形貌 

在点蚀坑区域截取尺寸为40 mm×15 mm× 19.5mm 的金相试样,磨抛后在 GX51型倒置光学 显微镜下观察纵截面形貌。由图4可以看出,点蚀 坑区域的黑色腐蚀产物厚度约100μm,裂纹萌生于 点蚀坑底部,垂直于钻杆轴向扩展,长度约3.5mm, 裂纹尖端较细。 在失效钻杆点蚀坑区域截取尺寸为40 mm× 40mm×19.5mm 的块状试样,用丙酮超声清洗后 在 TESCAN VEGAIIXMH 型扫描电镜(SEM)下 观察微观形貌。由图5可以看出:腐蚀产物部分剥 落,结构不致密,点蚀坑底部的裂纹呈网状;点蚀坑 附近的金属也发生了腐蚀,呈皱皮状。 图4 点蚀坑区域的纵截面形貌 Fig 4 Longitudinalsectionmorphologyofpittingpit area a pitsand b cracktip 图5 失效钻杆内壁表面点蚀坑的SEM 形貌 Fig.5 SEM morphologyofpitsonsurfaceoffaileddrillpipeinner wall:(a)lowmagnificationand(b)highmagnification 

1.3 化学成分

 采用 ARL4460OES型直读光谱仪测试失效 钻杆的化学成分。由表1可以看出,该钻杆的化学 成分符合 APISpec5DP-2009要求。

 1.4 显微组织 

在失效钻杆非点蚀坑和点蚀坑底部裂纹附近区 域分别截取尺寸为30mm×15 mm×19.5 mm 和 40mm×15mm×19.5mm 的金相试样,经磨抛,采 用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀,在GX51型 94 陈 猛,等:某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因 表1 失效钻杆的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoffaileddrillpipe massfraction % 项目 C Si Mn P S Cr Mo Ni V Al Cu 实测值 0.26 0.28 0.91 0.0087 0.0020 0.96 0.51 0.11 0.01 0.02 0.11 标准值 ≤0.020 ≤0.015 倒置 光 学 显 微 镜 下 观 察 显 微 组 织。 根 据 GB/T 13298-2015,对抛光态夹杂物和晶粒度进行评级, 得到 A 类 夹 杂 物 (硫 化 物 类)、B 类 夹 杂 物 (氧 化 铝)、D类夹杂物(球化氧化物)级别分别为0.5,1.0, 0.5级,晶粒度为9.0级,符合 APISpec5DP-2009 要求。由图6可以看出,非点蚀坑和裂纹两侧区域 组织均为回火索氏体,无异常组织。 图6 失效钻杆的显微组织 Fig 6 Microstructureoffaileddrillpipe a non-pitting areaand b nearcrack 

1.5 硬 度

 在失效钻杆腐蚀程度较轻的区域截取尺寸为 120mm×15 mm×19.5 mm 的 块 状 试 样,采 用 600MRD型 数 显 洛 氏 硬 度 计 测 试 表 面 硬 度,测 12个 点 取 平 均 值。 失 效 钻 杆 的 平 均 硬 度 为 35.1HRC,符合 APISpec5DP-2009 要 求 (不 超 过37HRC)。

 1.6 腐蚀产物形貌及能谱分析 

由图7和图8可以看出,腐蚀产物主要组成元 素为铁、氧、碳,质量分数分别为52.27%,33.80%, 6.20%,此外还含有少量的硫、氯、铬,质量分数分别 为2.13%,0.76%,4.83%。 图7 点蚀坑内部腐蚀产物的 EDS测试位置 Fig.7 EDStestpositionofcorrosionproductsinsidepits 图8 腐蚀产物的 EDS谱 Fig.8 EDSspectrumofcorrosionproduct 1.7 断口形貌 将裂纹用机械方式打开,采用 TESCAN VEGA IIXMH 型扫描电镜观察断口形貌。由图9可以看 出:整个断口较平整,表面被黑色腐蚀产物覆盖,腐 蚀严重;靠近裂纹尖端出现贝壳纹状弧线(箭头所 示),裂纹尖端处存在疲劳辉纹,表明该腐蚀坑底部 的裂纹扩展为疲劳扩展,该钻杆失效类型为腐蚀疲 劳失效[3-4]。

 2 裂纹产生原因 

钻杆的腐蚀与钻杆自身的化学成分和组织形貌 以及服役环境有关。由上述理化检验结果可知,失 效钻杆的化学成分、显微组织和硬度均符合标准要 求,因此外界环境导致钻杆发生早期腐蚀失效的可 能性更大。在服役过程中,钻井液中 O2、CO2、Cl - 含量,泵压,钻井液 pH,钻杆转速均会对钻杆的腐 蚀产生较大影响[5-6],同时,内壁加厚过渡段存在应 力集中,在腐蚀介质和应力集中的作用下,点蚀坑底 部容易萌 生 疲 劳 裂 纹 并 扩 展,最 终 导 致 腐 蚀 疲 劳 失效[7-8]。 95 陈 猛,等:某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因 图9 断口SEM 形貌 Fig 9 SEM morphologyoffracture a overallmorphology b nearcracktipand c cracktip 钻杆表面腐蚀产物以铁、氧、碳元素为主,同时 还含有一定量的氯、硫、铬等元素,推测腐蚀产物主 要为Fe2O3 和Fe3O4。虽然钻井液会溶解一定量的 CO2,但由于 CO2 的腐蚀过程为析氢反应,而钻井 液的pH 为9.5,整体呈碱性,因此排除 CO2 腐蚀的 可能性。钻杆失效时钻进约2395 m,还未钻进目 的层,且点蚀集中在加厚过渡带区域,多处点蚀坑底 部存在裂纹,长度超过钻杆壁厚的80%,但未发生 断裂,因此排除硫化物应力腐蚀的可能性[9-10]。 钻井液中存在游离态氧,在钻杆表面极易发生 吸氧腐蚀,反应如下: 阳极:Fe→Fe 2+ +2e (1) 阴极:O2+2H2O+4e→4OH - (2) Fe 2+ +2OH - →Fe(OH)2 (3) 4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3 (4) Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O (5) 可以看出,氧会加速腐蚀的进行。 钻杆内壁无防腐涂层,直接与钻井液接触,在 钻井过程中,单 位 面 积 内 壁 接 触 到 的 氧 含 量 较 外 壁的多,同时 内 壁 氧 腐 蚀 的 进 行 使 单 位 体 积 钻 井 液中的氧 含 量 下 降,流 动 到 外 壁 的 氧 减 少。钻 井 液在内壁加 厚 过 渡 带 区 域 容 易 形 成 涡 流,涡 流 中 的氧与该区 域 充 分 接 触,因 此 该 区 域 极 易 发 生 氧 腐蚀,产生 点 蚀 坑;钻 杆 在 承 受 交 变 载 荷 作 用 时, 内壁加厚过 渡 段 存 在 应 力 集 中,表 面 腐 蚀 产 物 膜 会被破坏,腐 蚀 介 质 直 接 与 基 体 接 触 使 氧 腐 蚀 进 一步加剧,腐蚀坑扩展并加深,严重的区域底部还 会萌生小裂纹。推断该钻杆的腐蚀主要是由氧腐 蚀引起[11]。钻杆内壁的氧含量偏高及加厚过渡带 区域存在应力集中是导致加厚过渡带区域发生严 重点蚀,萌生疲劳裂纹的原因[12-14]。 钻杆所处的环境中含有Cl - ,Cl - 能诱发并加速 钻杆的点蚀。研究[15-16]表明:环境中的活性 Cl - 会 优先吸附在钢管内表面的缺陷(非金属夹杂物或砂 眼等)处,诱发局部腐蚀,同时会改变钢管内表面钝 化膜的组织结构,并加速钝化膜溶解;尺寸较小的 Cl - 极易穿过垢层的疏松区域或缺陷处到达金属表 面,造成垢下腐蚀,甚至导致管材穿孔。因此,环境 中 Cl - 含量增加时,碳钢的点蚀速率加快。该失效 钻杆的点蚀坑底部腐蚀产物中,氯元素含量较高,达 2.78%,是导致钻杆点蚀速率较快、点蚀坑较深(部 分深度达0.63mm)的原因。 加厚过渡 带 区 域 为 结 构 应 力 集 中 区 域,点 蚀 坑的存在使该区域的应力进一步集中[17],从而在 部分较大点 蚀 坑 底 部 萌 生 疲 劳 裂 纹 并 快 速 扩 展, 导致失效。 

3 结论及措施

 (1)该钻杆的失效为腐蚀疲劳失效,钻杆内壁 的氧含量偏高及内壁加厚过渡带区域存在应力集 中,导致加厚过渡带区域发生严重点蚀,点蚀坑底部 萌生疲劳裂纹并扩展,最终失效。 (2)为避免类似事故的发生,建议使用内壁带 防腐涂层的钻杆,减少内壁的溶解氧;在钻井液中添 加缓蚀剂,降低溶解氧对内壁的腐蚀作用;通过添加 缓蚀剂减少钻杆服役环境中的氧含量;通过优化井 深结构减缓内壁加厚过渡带区域的应力集中。

来源：材料与测试网