P110套管特殊扣密封面細小裂紋分析
2019-1-14 來源：北京隆盛泰科石油管科技有限責任公司 作者：強 淵，李昱坤，巨金偉，武 紅
摘 要：在P110套管螺紋加工時發(fā)現(xiàn)特殊扣套管密封面存在細小裂紋，通過外觀和金相分析、宏觀和微觀斷口形貌觀察、能譜分析，發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷處存在非金屬夾雜物。結(jié)果表明，組織中存在非金屬夾雜物是造成該套管有細小裂紋的主要原因，冬天軋制過程中前端冷卻速度過快，使非金屬夾雜物拉長、破碎，最終產(chǎn)生細小裂紋。指出，螺紋加工后能夠?qū)Χ瞬咳毕莶糠诌M行切除；對特殊性能要求的油套管可適當控制金屬夾雜物的級別；在冬天軋制的過程中，在軋機的前端裝加熱器，可緩解管坯前端過多的溫度降低，減少變形抗力和裂紋出現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：套管特殊扣；細小裂紋；非金屬夾雜物；密封面
某管廠在生產(chǎn)Φ114.3mm×8.56mm R2 P110 鋼級特殊扣套管加工過程中，扣型密封面產(chǎn)生細小裂紋（圖 1），給生產(chǎn)造成了嚴重的損失。管端體內(nèi)存在3~5mm長的小裂紋，圓周上其他位置也存在類似裂紋。
1、裂紋分析
1.1 取樣
對有細小裂紋的螺紋端，按照標準 QJ 2136.3-91[2]要求取化學、力學和金相樣。
1.2 理化分析
在 ARL 4460 直讀光譜儀上按照 ASTM A751-2008 標準進行化學成分分析（表 1）、力學檢驗（表2），檢驗結(jié)果與P110采購協(xié)議相符，也符合API 5CT中對P110鋼級的相關(guān)規(guī)定。
1.3 金相分析
采用 MEF3A 金相顯微鏡、MEF4M 金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，試驗方法參考 GB/T 13298-1991、GB/T 6394-2002標準[3-4]。
1.3.1 高、低倍檢驗
由于特殊扣密封面車削部位相當于正常管體壁厚的中間位置，常規(guī)熱軋工序沒有造成內(nèi)部細小裂紋的可能，所以初步懷疑是夾渣物所致（圖2）。
對橫向截面進行高倍分析，表面裂紋是斜向的，并非是垂直于軸線方向，而且長短不一，所以是非應力差形成的細小裂紋；此外在同一截面上還發(fā)現(xiàn)了類似細小裂紋（圖
3）?？v向細小裂紋沿軋制方向有明顯的延展，基本與軸向平行，類似夾雜物缺陷（圖4）
1.3.2 金相分析
由圖5可以看出，該細小裂紋最長約為5mm，深度最深處約0.08mm，組織是回火索氏體，未發(fā)現(xiàn)裂紋兩邊存在明顯的脫碳或氧化層，說明該細小裂紋不是在熱處理時產(chǎn)生的。
1.4 能譜分析
在TESCAN VEGAⅡ掃描電鏡上，利用XFORDINCA 360能譜分析儀，對金相分析樣品斷口附近不同區(qū)域非金屬物質(zhì)進行了能譜分析，掃描電鏡照片如圖6所示，能譜分析結(jié)果見表
3、表4。
對試樣裂紋處進行能譜分析，分析結(jié)果為鋁酸鈣夾雜物，其夾雜物形態(tài)與缺陷相貌一致，根據(jù)能譜分析，進一步確認夾雜物的成分是C類硅酸鹽夾雜。上述表明該批次管料可能存在夾雜物缺陷，而由于是連鑄坯料，進廠時無法驗收夾雜物。2 分析與設(shè)備改進驗證取一根P110光管，從兩端各取1 000mm,在車床上剝皮試驗，每次進刀 0.05mm,加工長度 600mm,再進刀到3mm的時候發(fā)現(xiàn)一端出現(xiàn)細小裂紋，細小裂紋均在 300mm 之內(nèi)[5]；另一端加工過程中均未出現(xiàn)細小裂紋。由此可見細小裂紋是產(chǎn)生在一端，且可能是在先變形的一端，該端由于冬天溫度降低過多，變形抗力大，最終出現(xiàn)細小裂紋。為了驗證判斷的準確性，取同爐號管坯相同的軋制工藝與設(shè)備重新生產(chǎn)同規(guī)格的光管，在軋制機前端加裝800mm長的加熱器，溫度控制在1 200℃,試軋制20支，隨機取 3 支頭尾取樣進行扒皮試驗，均無細小裂紋出現(xiàn)。由此可以證明，在寒冷的冬季穿孔后的管坯前端降溫速度過快，變形抗力增大，容易使材料內(nèi)部的非金屬夾雜物變形，造成缺陷隱患。3 成因分析及風險評估：
1）綜合上述分析結(jié)果，該裂紋為原料中鋁酸鈣夾雜物，由于原材料為連鑄坯，未進行非金屬夾雜物檢驗。非金屬夾雜物在熱軋生產(chǎn)時受到縱向軋制受力拉長，其形貌變?yōu)槁菁y方向的線性缺陷[6]。
2）針對端部發(fā)現(xiàn)缺陷比例較大的情況，初步分析為：鋼管在淬火時，靠近內(nèi)噴噴頭端因水量較大、溫度較低，線性夾雜物發(fā)生了延伸擴展。這同時印證了細小裂紋并非在鋼管內(nèi)外表面，而是在芯部。同時，由于管體部分水量較小，冷卻速度相較慢，未出現(xiàn)細小夾雜物擴展的情況。
3）從金相檢查看出，該細小裂紋最長約為5mm，深度最深處約0.08mm，而鋼管探傷等級為L2，即刻傷深度0.43mm，因此該缺陷深度遠小于超聲波報警值，且由于在芯部，磁粉也無法檢出。
4）針對端部發(fā)現(xiàn)的缺陷情況，在切除后，能夠有效保證對端部缺陷部分的去除。
5）再次軋制該規(guī)格的管子一批，在軋制前端裝加熱器，使先進軋機的一端加熱 2min 再軋制，分 3組進行扒皮試驗，發(fā)現(xiàn)無類似的細小裂紋出現(xiàn)，進一步明確了產(chǎn)生細小裂紋的原因。
4 、結(jié)論
1）由于 API 5CT 中未對非金屬夾雜物有要求，該產(chǎn)品各項力學性能指標、水壓試驗及探傷檢測均無異常，因此基本判定該缺陷對鋼管產(chǎn)品質(zhì)量無明顯影響。此外，P110鋼級產(chǎn)品為非抗H2S腐蝕產(chǎn)品，因此不存在抗腐蝕性能的影響。同時，由于螺紋加工后能夠?qū)Πl(fā)現(xiàn)缺陷的部分進行切除，所以可能存在的肉眼可見的細小缺陷不會對特殊扣密封和連接性能產(chǎn)生影響。
2）建議API 5CT對特殊性能要求的油套管可適當控制非金屬夾雜物的級別。
3）建議在冬天軋制的過程中，在軋機的前端裝加熱器，緩解管坯前端過多的溫度降低，減少變形抗力。
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