分享：力学-电化学交互作用下E690钢的腐蚀疲劳 裂纹扩展速率理论模型

欧阳志英,陈 猛,谢孝文 (上海海隆石油管材研究所,上海 200949) 

摘 要:V150高强度钻杆在某直井服役过程中于其加厚过渡带消失处出现刺穿现象,采用宏 观形貌观察、磁粉探伤、微观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试、有限元分析等方法对钻杆进 行了失效分析。结果表明:该钻杆刺穿的原因为腐蚀疲劳。钻井液存在溶解氧和一定含量 Cl - ,且 pH 较低,钻杆加厚过渡带区域因应力集中而产生严重氧腐蚀,并形成周向分布的密集点蚀坑;服 役时钻杆跳钻严重,周期性的振动导致钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑底部的较大应力集中效应产 生周期性变化,并使得钻杆发生共振现象,从而加剧了点蚀坑底部疲劳裂纹的萌生及扩展,并最终 导致钻杆刺穿。

 关键词:V150钻杆;加厚过渡带;点蚀坑;氧腐蚀;疲劳裂纹 中图分类号:TH142.2 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2022)06-0064-07

0 引 言 

V150高强度钻杆是近年来开发的一种新产品, 并添加到 国 际 标 准 API5DP-2020、DS-1-2020 中,其名义最小屈服强度为1034 MPa,在深井、超 深井钻探中陆续得到应用[1-3],但在使用过程中发现 部分钻杆外壁出现了早期腐蚀和刺穿现象。 某直井在钻至约1150m 时发现泵压出现下降 现象,起出钻杆后发现在加重钻杆上方的一根 V150 钻杆发生了刺穿现象,刺孔距公接头端面约650mm, 同时也发现在钻杆上距公接头端面400~1000mm 内出现了腐蚀现象,腐蚀形貌以密集点蚀坑为主,钻 杆的结构及刺穿位置如图1所示。刺穿钻杆的规格 为?149.2mm×9.65mm,内壁有涂层。发生刺穿 时该 井 的 钻 具 组 合 为:?444.50 mm×0.63 m 钻 头+?228.60mm×9.00m无磁钻铤+?228.60mm× 9.00m螺旋钻铤+?444.50mm×1.80m 稳定器+ ?228.60mm×27.00m 螺旋钻铤+NC61×NC56× 64 欧阳志英,等:V150高强度钻杆刺穿的原因 0.50m转换接头+?203.20mm×99.00m 螺旋钻铤+ ?203.20mm×10.00mm 随钻震击器+?203.20mm× 270.0m螺旋钻铤+NC56×NC52×0.50m转换接头+ ?139.70mm×144.00 m 加重钻杆+?149.20 mm× 821.00mV150钻杆。据现场钻井人员反映,该井在 钻至800m 后发生了严重的跳钻现象,钻柱上下跳 动位移为0.5~0.8m,钻进速度缓慢,刺穿钻杆下井 前为新钻杆,纯钻时间仅约为300h。为防止今后 类似失效事件的发生,作者对该 V150钻杆进行了 失效分析。 图1 失效钻杆刺穿位置 Fig.1 Piercingpositionoffaileddrillpipe 

1 理化检验及结果

 1.1 宏观形貌 

在失效钻杆加厚过渡带区域截取试样,观察发 现钻杆外壁都存在密集的点蚀坑,且点蚀坑分布较 集中,有周向扩展的趋势,如图2所示。钻杆加厚过 渡 带区域存在较大的应力集中,因此与其他区域相 比,该区域更容易发生腐蚀。该钻杆在直井中作业, 主要受到轴向拉伸应力,因此点蚀坑底裂纹沿与主 应力垂直的方向,即管体周向扩展。 图2 刺穿钻杆外壁点蚀坑宏观形貌 Fig 2 Macromorphologyofpittingonouterwallofpierced drillpipe a position1and b position2 失效钻杆 刺 孔 的 宏 观 形 貌 如 图 3 所 示,可 见 刺孔呈周向扩展,周向长度约为 240 mm,占 整 个 管外壁周长的一半,刺穿的裂纹扩展迅速,但钻杆 未发生断 裂,说 明 管 体 的 力 学 性 能 较 好。内 壁 刺 孔周向长度约为192 mm,内壁涂层 完 好,仅 刺 孔 部位的涂层由于刺穿而发生了破裂。刺孔距试样 右端面约 200 mm,从 试 样 右 端 面 每 隔 20 mm 测 量管体壁厚(包含涂层),测量结果见表1,可见在 距试样右侧端面距离超过200 mm 后管体的壁厚 不再发生变 化,据 此 可 以 判 断 刺 孔 正 好 位 于 钻 杆 加厚过渡带消失处。 图3 失效钻杆外壁和内壁的刺孔宏观形貌 Fig 3 Macromorpholgyofprickholeonouterwall a andinnerwall b offaileddrillpipe 表1 失效钻杆刺孔一侧的壁厚测量结果 Table1 Measurementresultsofwallthicknessofonesideofprickholeoffaileddrillpipe 距右端面距离/mm 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 壁厚/mm 15.7 15.3 14.8 13.4 11.9 11.8 11.7 11.1 10.8 10.5 10.4 10.4

 1.2 磁粉探伤 

按照 ASTM E709-2015,采用CJW-1000型卧 式荧光磁粉探伤机对失效钻杆外表面进行磁粉探 伤。由图4可以看出,距离刺孔约10mm 位置存在 与刺孔平行扩展的小裂纹;距离刺孔约100mm 位 置的周向点蚀坑底部有一条周向的小裂纹。

 1.3 点蚀坑微观形貌

 采用 TESCAN VEGAIIXMH 型扫描电子显 65 欧阳志英,等:V150高强度钻杆刺穿的原因 微镜(SEM)对钻杆外壁腐蚀较严重区域点蚀坑的 微观形貌进行观察。由图5可以看出,点蚀坑处的 大部分腐蚀产物脱落,残留在坑底处的腐蚀产物呈 龟裂状。 将图2(b)中沿周向扩展的点蚀坑剖开,经磨 制、抛光,用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后,在 GX51型倒置光学显微镜下观察点蚀坑截面形貌, 测得较 深 点 蚀 坑 的 深 度 约 为 0.5 mm,直 径 约 为 3mm。由图6可以看出,点蚀坑内部残留的腐蚀产 物大部分已经脱落,点蚀坑周围组织为回火索氏体。 采用能谱仪(EDS)对其中一个较深的点蚀坑底部残 留腐蚀产物的微观成分进行分析,得到腐蚀产物的 主要组成元素为铁、氧、碳元素,同时含有少量的硅、 硫、铬元素。 图4 失效钻杆的磁粉探伤结果 Fig 4 Magneticparticleflawdetectionresultsoffaileddrillpipe a smallcrackaroundprickhole b smallcrackatbottomof pitand c enlargmentofsmallcrackatbottomofpit 图5 失效钻杆外壁点蚀坑微观形貌 Fig 5 Micromorphologyofpitonouterwalloffaileddrillpipe a atlowmagnificationand b athighmagnification 图6 失效钻杆点蚀坑的截面抛光态形貌和腐蚀态显微组织 Fig 6 Sectionpolishedmorphology a andcorrodedmicrostructure b ofpitoffaileddrillpipe 

1.4 裂纹微观形貌及腐蚀产物物相组成 

垂直于图4(b)点蚀坑底部小裂纹截取金相试 样,经磨制、抛光,用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀 后,在 GX51型倒置光学显微镜下观察裂纹的抛光态 和截面腐蚀态显微组织。由图7可以看出:该点蚀坑 深度约为0.20mm,开口宽度约为0.70mm,坑底部 裂纹深度约为0.55mm,裂纹开口较大,扩展较平直; 裂纹两侧的组织无明显变化,为回火索氏体,裂纹内 部存在黑色腐蚀产物,裂纹尖端较细,呈穿晶分布。 采用能谱仪对点蚀坑底部和裂纹内部的腐蚀产 66 欧阳志英,等:V150高强度钻杆刺穿的原因 图7 失效钻杆点蚀坑底部裂纹处的抛光态形貌以及腐蚀态显微组织 Fig 7 Polishedmorphology a andcorrodedmicrostructure b-c atcrackatbottomofpitoffaileddrillpipe b lowmagnification microstructureand c highmagnificationmicrostructureatcracktip 物进行微区成分分析,EDS分析位置见图8,结果见 表2。由图8和表2可知,点蚀坑坑底和裂纹内部 腐蚀产物的主要元素为铁、氧、碳,同时含有少量硫、 铬、钼。根据裂纹扩展形态和裂纹内部腐蚀产物的 EDS分析结果,可以初步推断点蚀坑及点蚀坑底部 裂纹的形成与氧腐蚀有关。 图8 失效钻杆点蚀坑底部及裂纹内部腐蚀产物的 EDS分析位置 Fig 8 EDSanalysislocationofcorrosionproductsatpitbottom a andinsidecracks b offaileddrillpipe 表2 图8中不同位置的 EDS分析结果 Table2 EDSanalysisresultsofdifferentpositionsshown inFig.8 % 位置 质量分数 Fe O C S Mo Cr 位置1 42.83 20.30 21.91 3.90 11.06 位置2 56.98 15.96 14.68 2.88 9.50 位置3 47.46 24.08 12.16 4.79 11.50 位置4 67.87 24.37 2.56 5.21 位置5 57.18 25.37 11.95 1.55 3.96 位置6 65.39 22.50 5.91 6.20 位置7 74.56 22.49 2.95 收集失效钻杆表面点蚀坑底部的腐蚀产物,采 用 X射线衍射仪(XRD)对其物相组成进行分析,结 果见图9,可知腐蚀产物主要为 Fe2O3。

 2 刺穿原因分析 V150高 强 度 

钻 杆 刺 孔 距 离 公 接 头 端 面 约 650mm,为钻杆加厚过渡带消失区域,同时在距离 公接头400~1000 mm 区域即钻杆加厚过渡带区 域产生了密集点蚀坑。钻井过程中所用钻井液为氯 化钾聚合物水基钻井液,pH 为7.0。根据 API7G图11 失效钻杆沿刺孔打开后的断口宏观形貌及裂纹扩展 尖端微观形貌 Fig 11 Fracturemacromorphology a and micromorphologyof crackpropagationtip b offaileddrillpipeafteropened alongprickhole 2015,水基泥浆的腐蚀介质有氧、硫化氢、二氧化碳。 Cl - 、O2、H2S、CO2 的复合存在会造成点蚀的出现。 失效钻杆所处的钻井井深只有1000多米,泥浆溶 解 H2S、CO2 的概率非常低,点蚀坑底部的腐蚀产 物的主要物相为 Fe2O3,可以推断失效钻杆上出现 的点蚀主要是氧腐蚀。在实际应用中,钻杆中普遍 存在着由钻井液中溶解氧引起的各种形态腐蚀[4-8]。 氧来自于大气,钻井液循环系统不是密闭的,在钻井 过程中,大气中的氧通过泥浆池、高压泥浆枪、泥浆 泵等设备在钻井液的循环过程中溶解在钻井液中。 钻井液中的溶解氧在钢质钻杆表面发生氧腐蚀,具 体反应为2Fe+ O2+ 2H2O→2Fe 2+ +4OH - 。研 究[9-11]表明,对氧腐蚀起主导作用的是溶解氧浓度、 pH、温度、Cl - 浓度、压力,而钻杆的材料影响较小。 当泥浆中含氧腐蚀介质在钻杆壁停留时间较长时, 会使钻杆发生严重点腐蚀;在钻杆起出井后,表面附 着的泥浆未及时清洗干净或者未经清洗而堆放时, 空气中的氧会逐渐进入钻杆表面残留的泥浆中,形 68 欧阳志英,等:V150高强度钻杆刺穿的原因 成垢下腐蚀[12-13]。研究[14-15]表明,当泥浆pH 由7.0 提高到10.0时,S135钻杆的腐蚀速率显著下降。 失效钻杆的力学性能、化学成分符合 APISpec 5DP-2020和订货技术协议要求;点蚀坑底部的组 织为回火索氏体,无异常组织存在,且点蚀坑周围无 异常的夹杂物存在。现场调研表明,该井钻至800m 后发生了严重的跳钻现象,钻进速度缓慢,这使得氧 有充分的时间和钻杆外壁反应,同时钻井液为氯化 钾聚合物水基钻井液,pH 为7.0,其Cl - 质量分数约 为3.0%,这些条件均有利于提高氧腐蚀速率。钻 杆加厚过渡带区域是钻杆的薄弱环节,该区域存在 应力集中现象,在钻井过程中该区域的应力水平高 于其他区域,导致该区域更易发生点蚀。因此在钻 杆加厚过渡带区域形成了较密集的点蚀坑。 钻杆加厚过渡带区域的点蚀坑形成后,会在点 蚀坑底部产生应力集中,周向的连成一片的点蚀坑 会叠加这种应力集中效果,从而极易在点蚀坑底部 形成小裂纹。当这种连续分布的周向点蚀坑出现在 应力集中程度更高的加厚过渡带消失处,其点蚀坑 底部会优先萌生裂纹并扩展形成刺孔,这也就解释 了刺孔位于过渡带消失处的原因。采用有限元分析 软件 Ansys对连续分布的周向点蚀坑处的应力进 行有限元模拟,在建立好的规格 为?149.2 mm× 9.65mm 的 V150高强度钻杆模型上加厚过渡带消 失处添加点蚀坑,坑深约1.5mm,直径约3.0mm, 对靠近接头一侧的位移进行约束,模拟实际井况加 载45t的拉力,模拟结果如图12所示,发现在周向 点蚀坑底 部 存 在 应 力 集 中 效 应,应 力 集 中 系 数 为 1.6。研究[16]发现,当钻杆表面缺陷对应的应力集 中系数大于1.36时,钻杆在实际工况条件下的腐蚀 疲劳寿命会大幅度降低。有限元模拟结果表明,在 钻杆加厚过渡带消失处增加点蚀坑后,虽然点蚀坑 底部产生应力集中,但其应力约为钻杆额定最小屈 服强度的1/5 左右,不足以在短时间内萌生裂纹。 在以往的分析案例中仅有当浅定向井和大位移井的 钻杆在通过造斜段时,会在短时间内出现疲劳裂纹 和刺 穿 现 象[17-18],而 该 钻 杆 的 累 计 纯 钻 时 间 约 300h,发生刺穿时井深仅有1150 m,且位于直井 段,可知该条件下钻杆出现刺穿的现象非常少见。 在井场调研时发现,失效钻杆在800~1150m 井段 出现的跳钻较严重,钻进速度缓慢。分析可知,失效 钻杆刺穿的原因包括2个方面:一方面,在跳钻工况 下,钻杆在纵向方向上做周期性振动,会出现较大的 周期性瞬时动态载荷,失效钻杆加厚过渡带消失处点 蚀坑底部的应力集中效应也在动态载荷作用下产生 周期性变化,在应力较大的某一瞬间疲劳裂纹在短时 间内萌生;另一方面,在跳钻工况下钻杆发生了共振 现象,疲劳裂纹极易在钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑 的部位萌生,并且迅速扩展形成刺孔[19-21],因此失效 钻杆刺孔裂纹扩展尖端出现了明显的疲劳辉纹形貌。 图12 模拟得到含有周向点蚀坑的钻杆在拉伸载荷下的应力 分布云图 Fig 12 Simulatedstress distribution contour of drill pipe containing circumferential pit under tensile load a overallstressdistribution contourand b stress distributioncontourofpitbottom 

3结论

 (1)V150高强度钻杆刺穿是由腐蚀疲劳造成 的。钻井液存在溶解氧和一定含量 Cl - ,且 pH 较 低,钻杆加厚过渡带区域因应力集中而发生严重氧 腐蚀,并形成周向分布的密集点蚀坑;频繁跳钻导致 钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑底部的较大应力集中 效应产生周期性变化,并使得钻杆发生了共振现象, 从而加速该处点蚀坑底部疲劳裂纹的萌生和扩展, 最终导致钻杆刺穿失效。 (2)为避免类似事故的发生,建议优化钻具组 合,在钻头上方添加减震器和双稳定器的组合来有 效降低钻杆跳钻概率,以降低周期性的动态载荷对 点蚀坑底部疲劳裂纹萌生的促进作用。 

来源：材料与测试网