高强度Q125套管水压试验爆裂失效分析

邱世欣，赵健明

（1.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司，陕西 西安 710065；2.衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

在对某批次Φ139.7 mm×7.72 mm的Q125成品套管逐支进行水压试验时，其中1支管发生爆裂事故。水压试验的试验压力为76 MPa，该支管在稳压2秒过程中发生爆裂，爆裂管的宏观形貌如图1所示，裂开的管段全长约600 mm，爆裂最大处（也是隆起最高处）距管端约210mm，裂纹沿管径方向小角度扩展。

图1 爆裂管宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

从图1可看出，爆口张开的最大宽度为35 mm，长度超过560mm；爆裂应是从爆口最宽及塑性变形最大位置启裂，从爆裂起始位置的断面形貌可看出，内外壁附近存在明显的剪切唇，裂纹起源区位于管壁中间，然后向内、外表横向扩展，一端延伸至水压试验夹持位置止裂。经测量，爆裂管的正常壁厚在7.58～8.56 mm，外径在140.5～141.2 mm；壁厚最小值位于最大爆口处，为7.41mm，最大爆口处外径为153.4mm，垂直处为147mm；最大爆口处变形明显，其它处并未有明显减薄和变形。

断面靠外表部分呈层片形木纹状断口特征，沿纵向有凸凹不平的、无金属光泽的条带，并在凸凹不平处伴随长短不同的白亮线，木纹状断口与钢中化学成分偏析和非金属夹杂物的分布是密切相关。

1.2 无损检测

用手动超声波测厚仪对所取爆裂钢管样品除爆口外的其它区域进行检测，在爆口对面位置的端头处发现有点状小缺陷存在，缺陷位于距外表4.26 mm处，用磁粉对样品外表面进行检测，未发现异常，表明样品的管壁中间存在原始缺陷。

1.3 化学成分分析

用直读光谱仪对样品进行化学成分分析，化学成分满足标准要求。

1.4 力学性能测试

在爆裂管的正常位置取样进行力学性能测试，拉伸试验和冲击试验结果拉伸性能和夏比冲击功均满足API 5CT技术要求。

1.5 微观分析

（1）金相分析。在爆裂口最薄位置横向取样进行了金相分析，经硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察，在断面中间的凹陷处发现一条异常扩展的条带，其周围还有“针孔”存在，这些“针孔”是非金属夹杂物被酸腐蚀掉的结果。

（2）电镜观察分析。在爆裂样品的断口源区取样，经清洗处理后，用扫描电镜对其进行微观形貌观察。表面存在着氧化腐蚀现象。用能谱仪对断面进行分析，其基本元素除了铁之外，主要有氧、硫、锰和硅等，说明断面存在较多氧化物和硫化物夹杂。氧化物夹杂平行成串分布在钢中是木纹状断口产生的主要原因，硫化物则形成“层次结构”断口。

将金相样重新抛光，再经酒精超声波清洗后，对金相观察所发现的缺陷部位进行观察，缺陷呈孔洞型，应当是变形开裂形成的，周围同样观察到更小的“针孔”存在，对孔洞边沿进行能谱分析，有 C、S、Mn、O、Si 和Ti等元素，夹杂物主要是硫化物、氧化物和硅酸盐混合夹杂物。

2 爆裂原因综合分析

检验分析表明，样品的化学成分和力学性能符合相关技术要求。

微观观察分析可以看出夹杂物比较集中，形成了明显的夹杂缺陷，对宏观形貌中的脆性木纹状断口形成起主要作用。

从断面宏观及微观形貌中看出，该断口宏观形貌呈木纹状断口特征，微观形貌表现为准解理脆性断口特征，形成木纹状断口的主要原因，是钢中塑性不均匀区的存在，而偏析和非金属夹杂物是造成塑性不均匀区的主要原因，所以说偏析和夹杂是造成木纹状断口的主要因素。检验分析表明：钢中存在的硫化物、氧化物和硅酸盐混合夹杂物，破坏了金属的连续性，强烈降低钢的横向性能，在水压试验时的拉应力作用下，当基体还在塑性变形时，夹杂物却早已发生脆性断裂，裂纹扩展产生纵向开裂，最后在低于材料屈服应力下便发生爆裂现象。

结合上述分析结果，原因综合分析如下：

（1）爆裂钢管的断口在破裂之前只发生了部分塑性变形，破裂起源于弯头壁厚的最大减薄处，其壁厚减薄量不大，该处剪切唇明显，为过载延性断裂失效的典型特征，结果表明，该支钢管爆裂失效为管体局部承受能力差所致。

（2）造成管体局部承受能力差的主要原因是管壁中间的含有条状夹杂，水压试验过程中，当基体受力还在塑性变形时，最薄弱的夹杂物处却早已发生开裂，裂纹迅速扩展，引起基体受拉应力作用发生变形，并最终引起管体早期爆裂失效。

3 结语

（1）材料的化学成分和力学性能符合相关技术要求。

（2）管体内部存在条状夹杂是发生爆裂失效的主要原因。

（3）尽可能减少钢材冶炼及浇注过程中夹杂的产生，排除已存在于钢液中的夹杂物，降低材料中有害夹杂物含量，并对钢中的夹杂物进行定性和定量的检测。

（4）建议加强管体端部探伤，发现缺陷加以清除，防止爆管事故的发生。