圖 1 同心測調(diào)工作筒斷裂件與完好件外觀
分享：17-4PH不銹鋼同心測調(diào)工作筒斷裂原因
注水工藝是提高海上油田油藏采收率的重要措施，其能夠保持油層的壓力，在海上油田開發(fā)中占有重要地位[1]。同心智能分層注水技術(shù)廣泛應(yīng)用于海上油田注水工藝，該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括井下分層注水測調(diào)儀器、同心測調(diào)工作筒、地面控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[2]。同心測調(diào)工作筒是井下工具，是同心智能分層注水技術(shù)的重要組成部分，其一旦發(fā)生斷裂，會直接影響注水效果，還會影響油田的正常生產(chǎn)作業(yè)[3]。
某海上油田注水井于2020年9月8日下入同心測調(diào)工具，該井于2021年1月27日投入注水。所處儲層溫度為125~135 ℃。2023年4月，該井進(jìn)行動管柱作業(yè)，取出井下工具，發(fā)現(xiàn)井下第4層同心測調(diào)工作筒斷裂。同心測調(diào)工作筒斷裂件與完好件外觀如圖1所示。
經(jīng)查閱相關(guān)資料，該同心測調(diào)工作筒的材料為17-4 PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）不銹鋼，熱處理工藝為 1 040 ℃ 固溶處理和 550 ℃時效處理，冷卻方式為空冷。17-4PH不銹鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼, 具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性、抗氧化性等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于石油化工、海洋裝備、核工業(yè)等領(lǐng)域[4-7]。
筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該17-4PH不銹鋼同心測調(diào)工作筒的斷裂原因，結(jié)果可對17-4PH不銹鋼井下工具設(shè)計(jì)及制造提供建議與經(jīng)驗(yàn)支持。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
返回的同心測調(diào)工作筒試樣宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：試樣外壁呈黑褐色，無明顯腐蝕缺陷；斷口處顯示斷裂位置為同心測調(diào)工作筒的上接頭與外筒連接螺紋的根部，斷口圓周方向80%較平坦，而剩余部分相對粗糙。用石油醚清洗斷口，再用乙醇超聲清洗，再觀察試樣，可見斷口無腐蝕現(xiàn)象，表面有金屬光澤；斷口存在局部被擠壓和磨損的痕跡，同時存在發(fā)亮區(qū)域（見圖3）。查閱設(shè)計(jì)資料可知，該處螺紋根部的刀槽深度為4 mm、底角半徑為1 mm，一般在螺紋根部不連續(xù)的區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中[8]。
圖 2 同心測調(diào)工作筒試樣宏觀形貌
圖 3 同心測調(diào)工作筒斷口清洗后的低倍形貌
在體視顯微鏡下觀察斷口，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：在靠近斷口外壁螺紋邊沿有放射性的棱線，其匯聚于機(jī)械加工臺階邊緣位置（外壁螺紋附近），呈疲勞斷裂的形貌特點(diǎn)[9-11]。該斷裂源區(qū)位于外壁邊沿的螺紋根部，大部分區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)，在擴(kuò)展區(qū)可看到裂紋擴(kuò)展的方向，其收斂位置均指向了斷裂源區(qū)方向。
1.2 掃描電鏡（SEM）與能譜分析
將上述試樣斷口置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口邊沿?cái)嗔言磪^(qū)位置可見放射狀棱線，并收斂于螺紋邊沿[見圖4（a）]；在螺紋邊沿可見明顯的加工刀痕，且加工刀痕附近存在微裂紋，多條平行的加工刀痕位于斷裂源區(qū)附近[見圖4（b），4（c）]；斷裂源區(qū)附近可見解理平面及沿晶裂紋等脆性斷裂特征[見圖4（d），4（e）]，裂紋由斷裂源區(qū)沿著周向瞬斷區(qū)擴(kuò)展。在疲勞擴(kuò)展的后期，觀察到疲勞弧線及沿晶二次裂紋[見圖4（f）]。據(jù)此判定斷裂機(jī)制是解理的脆性疲勞斷裂[12]，斷裂起源于外表面的機(jī)械加工刀痕。對斷口較光亮位置進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該位置存在機(jī)械損傷痕跡，利用掃描電鏡附帶的能譜儀對該位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該位置主要含有O、Mg、Al、K、Ca、Si、Cr、Ni、Cu等元素，其中O、Mg、Al、K、Ca元素為損傷時引入的，未發(fā)現(xiàn)較敏感元素Cl、S等。
圖 4 同心測調(diào)工作筒斷口SEM形貌
1.3 化學(xué)成分分析
對該斷裂件及同時間下井的其他同心工作筒完好件進(jìn)行取樣，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：兩個試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》的要求。
Table 1. 同心測調(diào)工作筒斷裂件及完好件的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Nb | |
| 斷裂件實(shí)測值 | 0.053 5 | 0.415 | 0.636 | 0.032 5 | 0.009 1 | 15.87 | 3.84 | 3.12 | 0.216 |
| 完好件實(shí)測值 | 0.053 9 | 0.435 | 0.613 | 0.031 3 | 0.008 6 | 15.96 | 3.91 | 3.23 | 0.225 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≤0.07 | ≤1.00 | ≤1.00 | ≤0.040 | ≤0.030 | 15.00~17.50 | 3.0~5.0 | 3.0~5.0 | 0.15~0.45 |
17-4PH不銹鋼中各種元素的主要作用為：Cr元素能夠大幅提升材料的耐腐蝕性和淬透性；Ni元素可提升材料的韌性，并使材料的力學(xué)性能更加穩(wěn)定；Cu元素是使17-4PH不銹鋼沉淀硬化的主要元素，生成沉淀硬化相ε-Cu，有利于提高鋼的強(qiáng)度和硬度；Nb元素能夠配合生成沉淀硬化相NbC，少量粒狀NbC相的析出不僅可起到析出強(qiáng)化的作用，還抑制了Cr元素的析出，從而增強(qiáng)了鋼的耐腐蝕性，且材料強(qiáng)度提高[13]。
1.4 力學(xué)性能測試
1.4.1 硬度測試
按照GB/ T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用洛氏硬度計(jì)分別測試斷裂件與完好件的硬度，結(jié)果如表2所示。由表2可知：兩個試樣的硬度符合GB/T 1220—2007的35~40 HRC要求。17-4PH不銹鋼中添加了大量的Cu等沉淀強(qiáng)化元素，組織上析出富銅的ε相而使其強(qiáng)化，且在550 ℃時效處理?xiàng)l件下，其硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
Table 2. 同心測調(diào)工作筒斷裂件及完好件的硬度測試結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 硬度 | |
|---|---|---|
| 實(shí)測值 | 平均值 | |
| 斷裂件 | 38，38.3，38.6 | 38.3 |
| 完好件 | 37，37，38 | 37.3 |
1.4.2 拉伸試驗(yàn)
使用雙立柱萬能試驗(yàn)機(jī)對斷裂件和完好件進(jìn)行縱向取樣，斷裂件試樣編號為1，2號，完好件試樣編號為3，4號。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可知：材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度符合GB/T 1220—2007中550 ℃時效處理后材料性能的要求。
Table 3. 同心測調(diào)筒斷裂件及完好件試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果
| 編號 | 寬度×標(biāo)距/（mm×mm） | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 試樣1實(shí)測值 | 12.5×50 | 1 148 | 1 029 | 14.9 | 62 |
| 試樣2實(shí)測值 | 12.5×50 | 1 150 | 1 032 | 14.7 | 64 |
| 試樣3實(shí)測值 | 12.5×50 | 1 146 | 1 029 | 14.5 | 62 |
| 試樣4實(shí)測值 | 12.5×50 | 1 152 | 1 036 | 15.0 | 60 |
| - | - | ≥1 070 | ≥1 000 | ≥12 | ≥45 |
1.4.3 沖擊試驗(yàn)
使用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對斷裂件與同時下井的完好件進(jìn)行橫向取樣，斷裂件編號為5,6,7號，完好件編號為8,9,10號。試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度），缺口形狀為V型。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，5~10號試樣的沖擊吸收能量分別為44，46，47，50，48，47 J，說明材料的沖擊性能符合GB/T 1220—2007的要求（沖擊吸收能量平均值不小于20 J）。
1.5 金相檢驗(yàn)
對斷裂件試樣斷口附近及同時下井的完好工具件的相同位置進(jìn)行取樣，然后將試樣進(jìn)行鑲嵌、預(yù)磨、拋光，再置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。斷裂件試樣中非金屬夾雜物被評為A類粗系2.5級，D類細(xì)系1.5級；完好件試樣中非金屬夾雜物被評為C類粗系1.5級。按照CB/T 1209—1992《0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）馬氏體沉淀硬化不銹鋼金相檢驗(yàn)》，用F試劑腐蝕試樣，再將腐蝕后試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。發(fā)現(xiàn)斷裂件試樣的顯微組織為馬氏體和少量條狀鐵素體，同時也存在少量淺褐色殘留奧氏體；完好試樣的顯微組織為回火馬氏體+高溫鐵素體。與馬氏體相比，條狀鐵素體的存在破壞了基體組織的均勻性，鐵素體具有良好的韌性與塑性，但強(qiáng)度和硬度低，斷裂件試樣的顯微組織存在一定的不均勻性。
圖 5 斷裂件和完好件試樣的微觀形貌
2. 綜合分析
該17-4PH不銹鋼同心工作筒的疲勞源起始于螺紋根部機(jī)械加工刀痕位置，裂紋由疲勞源區(qū)沿著圓周方向向瞬斷區(qū)擴(kuò)展，斷裂源區(qū)附近可以觀察到放射棱線，擴(kuò)展區(qū)域可以觀察到疲勞弧線，判斷斷口為疲勞斷裂斷口。
斷裂源區(qū)可見多條明顯的機(jī)械加工刀痕及微裂紋，疲勞擴(kuò)展區(qū)可以觀察到疲勞弧線和沿晶二次裂紋形貌。因此判斷該工作筒發(fā)生脆性疲勞斷裂，斷裂起始源與螺紋根部的機(jī)械加工刀痕有關(guān)，機(jī)械加工刀痕容易造成應(yīng)力集中[14-16]，該斷裂位置即應(yīng)力集中處。
斷裂件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其硬度、拉伸及沖擊性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其顯微組織為馬氏體和鐵素體，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。
根據(jù)該井井史記錄，其在服役期間存在多次酸化解堵的處理過程，且在修井過程中存在工具串遇卡的情況，經(jīng)過上提與下放，并進(jìn)行振擊處理后，可以實(shí)現(xiàn)上提管柱。由此可見，管柱串在上提過程中所受的拉應(yīng)力大于平時靜止階段，且修井過程中管柱受到上下不同載荷的應(yīng)變作用力。
3. 結(jié)論及建議
（1）測調(diào)筒斷裂件的斷裂機(jī)制為脆性疲勞斷裂，裂紋起始于螺紋根部的機(jī)械加工刀痕，該位置在服役過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在拉力載荷的作用下，裂紋沿著周向擴(kuò)展，直至筒體斷裂。
（2）建議后期設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化螺紋根部的臺階過渡結(jié)構(gòu)，盡量避免加工刀痕導(dǎo)致應(yīng)力集中過大的現(xiàn)象。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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