冉小豐,王格一,陽 婷,劉少胡,張菲菲

(1.長江大學機械工程學院,荊州434023;2.長江大學石油工程學院,武漢 430100)

由壬是石油機械設備的重要組成部分之一,能夠連接結構、尺寸相異的高壓管道。由壬廣泛適配于各種管匯連接,且具有快捷拆裝、方便維修等優(yōu)點,由壬連接成為了油氣鉆井和壓裂施工中高壓管匯的主要連接形式。隨著深層、超深層頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的不斷開發(fā),壓裂施工壓力越來越高。由壬在服役過程中長期受壓裂管匯產生的振動沖擊、交變載荷以及惡劣環(huán)境腐蝕的影響[1],這導致由壬和高壓管匯時常發(fā)生失效,造成施工中斷和經濟損失,并帶來安全風險。

涪陵頁巖氣某井在壓裂施工過程中,由壬翼形螺母發(fā)生開裂,失效由壬翼形螺母材料為40Cr Ni2Mo鋼、外徑為φ224.8 mm、內徑為φ150 mm、整體高度為99 mm、螺紋型號為6 11/16-4 Acme-2G。按照標準要求,此類螺母調制處理后的硬度應達到27～31 HRC,拉伸強度不小于896 MPa,屈服強度不小于760 MPa,斷面收縮率不小于35%,斷后伸長率不小于16%。在泵壓95 MPa、排量18 m3/min的加砂壓裂作業(yè)工況下,該由壬翼形螺母發(fā)生失效時累計服役501 h。

由于涪陵地區(qū)黏土含量高,且滲透性差,目前該區(qū)塊已形成“一酸兩液三砂”的壓裂液體系[2-3],即前置清潔土酸+JC-J10減阻水體系+SRLG-2膠液體系+覆膜砂支撐劑體系,其中前置清潔土酸含有15%(質量分數(shù),下同)HCl和1.5%(質量分數(shù))HF。該壓裂液體系為由壬提供弱酸性工作環(huán)境。

1 理化檢驗與結果

1.1 斷口宏觀形貌

由圖1可見:失效螺母斷口表面無金屬光澤,整體較平整、細膩,斷面上的疲勞輝紋,從裂紋源處向裂紋擴展方向凸起,斷口及附近區(qū)域有塑性變形特征。構件服役期間,壓裂液通過公、母由壬以及密封圈向螺母傳遞沖擊壓力。由壬部件的裝配方式容易在螺母螺紋底端形成應力集中區(qū),同時壓裂過程的振動會產生循環(huán)載荷,初步判斷該螺母失效原因是疲勞損傷累積導致裂紋擴展斷裂[4]。根據(jù)疲勞斷裂過程將斷口分為三個特征區(qū)域,即裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。從這三個區(qū)域取樣做進一步分析,見圖2。

圖1 失效螺母斷口宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of fracture surface of failed screw nut

圖2 斷口取樣區(qū)域宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture in the sampling area zone：（a）crack source；（b）crack propagation zone；（c）instantaneous fracture zone

由圖2(a)可見:斷口表面附著有紅褐色的Fe2O3,內圓環(huán)邊界存在多處疲勞裂紋源,推測構件服役期間受到腐蝕介質影響,斷口表面發(fā)生滑移使金屬表面膜破裂,形成許多活性區(qū)域并引發(fā)腐蝕。主裂紋源位于疲勞弧線最小半徑處,周圍出現(xiàn)多條與疲勞弧線法線方向一致的次裂紋,裂紋沿徑向向外圈擴展,連續(xù)形成弧長122.4 mm 的撕裂脊臺階。對于環(huán)狀斷口,由于裂紋源處裂紋貫穿至外圈需要先擴展到徑向對稱位置 ,因此裂紋源外圈并非瞬斷區(qū),無剪切唇。

圖2(b)為裂紋擴展區(qū),可以看出整個擴展區(qū)斷面光滑、平整,裂紋萌生階段產生的微裂紋的擴展方向與應力軸成45°,并沿最大切應力方向以剪切方式向外圈擴展。裂紋擴展階段產生的褐色貝殼狀紋路垂直于撕裂脊臺階,貝殼狀紋路從裂紋源向擴展方向凸起至臨界尺寸,且產生的貝紋線細而密,表明應力集中系數(shù)較小,疲勞裂紋擴展速率較慢,具有高周低應力疲勞斷裂的形貌特征。

由圖2(c)可見:瞬斷區(qū)存在沿環(huán)向逆時針擴展的裂紋和順時針擴展的裂紋,它們最終在裂紋源的徑向對稱位置附近交匯,由于兩條裂紋在交匯前很難處于同一平面,因此交匯時會出現(xiàn)較大的臺階。剪切唇位于斷口邊緣,沿環(huán)向向右逐漸增大,與斷面成約45°夾角,由此判斷斷口是在平面應力狀態(tài)下剪切形成的,且瞬斷區(qū)面積較小,說明該由壬翼形螺母的失效為高周低應力疲勞斷裂[5]。

1.2 斷口微觀形貌

用超聲波將試樣清洗干凈后置于JEOL:JSMIT300A 型掃描電鏡(SEM)下觀察,由圖3可見,斷口萌生區(qū)呈現(xiàn)多個腐蝕疲勞源。在腐蝕的作用下,斷口表面產生多處腐蝕坑。腐蝕坑處形成裂紋源并發(fā)展成獨立裂紋,小裂紋不斷擴展,逐漸匯聚形成一條更長的主裂紋并繼續(xù)擴展,而部分次裂紋擴展到一定程度便停止延伸。由于同一平面上每條裂紋所處截面不同,裂紋交匯處會因剪切作用形成明顯的撕裂脊。由圖3還可見,裂紋源在腐蝕坑底部生成,腐蝕坑減少了晶體位錯的阻力,且滑移增大了腐蝕坑周圍的塑性變形,最終導致疲勞裂紋迅速萌生[6]。由此可知,構件在服役期間首先受腐蝕影響表面產生了腐蝕坑,然后在循環(huán)應力作用下,腐蝕坑由于應力集中萌生出裂紋。

圖3 斷口萌生區(qū)的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of source fracture region: (a)low magnification morphology of cracks sources; (b)pits

在裂紋擴展區(qū),裂紋以穿晶擴展為主,因此形成了大面積的解理面;隨著裂紋擴展速率的增加,擴展區(qū)變得粗糙且疲勞條帶之間的間距變小;當裂紋擴展到不同晶粒取向時,擴展方向改變并形成臺階狀形貌[7]。

由圖4可見:裂紋擴展區(qū)含有與裂紋擴展方向一致且位于不同高度的解理臺階,整個解理形貌雜亂無章,解理臺階連續(xù)性差,破壞了疲勞條帶的光滑度;此外,還觀察到裂紋擴展區(qū)有位于微小解理面上呈連續(xù)分布的疲勞條帶,表明此區(qū)域的疲勞裂紋不在同一平面內,而是沿著具有不同高度差的面進行擴展延伸;同時在解理臺階邊緣存在一定數(shù)量的第二相夾雜物,這些夾雜物處的輝紋方向會重新改變,這表明由于制造缺陷形成的非金屬夾雜物影響了疲勞裂紋的擴展方向。

圖4裂紋擴展區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro morphology of crack propagation zone：（a）crack propagation zone；（b）cleavage steps+fatigue bands

上述特征說明在應力的作用下,裂紋尖端新產生的基體截面會與腐蝕介質發(fā)生化學反應,引起材料的局部損傷,并形成小點蝕坑,導致材料塑性降低,脆性增加[8],在交變循環(huán)應力的作用下裂紋更易加速擴展形成脆性開裂。

當疲勞裂紋在第二階段擴展到臨界裂紋尺寸時,基體有效承載面難以承受壓裂工作時的交變載荷,裂紋快速發(fā)展造成由壬斷裂最終形成瞬斷區(qū)。如圖5所示,斷口上分布著大小不一、具有分層特征的韌窩,這表明該由壬翼形螺母具有較好的塑性,其瞬斷區(qū)發(fā)生韌性斷裂。

圖5 瞬斷區(qū)微觀形貌Fig.5 Micro morphology of final fracture zone: (a)low magnification morphology of instantaneous fracture zone; (b)tough fossa+fits

1.3 化學成分

使用金相切割機切取失效壬翼形螺母(40Cr Ni2Mo鋼)試樣,尺寸為20 mm×20 mm,經打磨拋光后,采用直讀光譜儀檢測其化學成分,結果如表1所示。由表1可見:失效螺母的化學成分符合GB/T 3077-2015《結構合金鋼》[9]標準要求。

表1 螺母材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of the nut material

1.4 力學性能

根據(jù)國家GB/T 228.1-2021標準《金屬材料拉伸試驗》[10]對試樣進行室溫拉伸試驗。由表2可見:試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均符合工藝設計要求。

表2 材料力學性能Tab.2 Mechancial property of material

1.5 硬 度

取斷口含撕裂脊階梯區(qū)域縱剖面試樣,利用洛氏硬度計對試樣近表面處至內部的硬度進行檢測,測試點位置如圖6所示。由表3可見,材料硬度基本達到工藝設計要求。

表3 失效試樣的硬度（HRC）Tab.3 Hardness of failed specimen（HRC）

圖6 硬度測試點位置Fig.6 Locations of hardness test points

1.6 顯微組織

使用蔡康CK-300型金相顯微鏡觀察調質處理后失效螺母的顯微組織。由圖7可見:基體組織為回火索氏體+少量鐵素體,整體分布均勻,鐵素體以塊狀及針狀分布于枝晶間。鎳、鉻元素的協(xié)同作用顯著提高了鋼的淬透性。鎳對鐵素體有較好的強化作用,不僅使鋼具有較高的強度,還使其具有較高的沖擊韌度。鉬元素不僅可以細化晶粒,使較大截面的鋼有均勻的性能,還能克服回火脆性。依據(jù)GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖及評定方法》[11],失效試樣的組織及熱處理工藝均符合要求。

圖7 失效螺母的顯微組織Fig.7 Microstructure of failed nut

1.7 腐蝕產物

使用JSM-IT300A 型掃描電鏡分別對斷口裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)的腐蝕產物進行觀察,并用配套能譜儀(EDS)對其進行能譜分析。由圖8可見:裂紋源附近除了C、O、Fe、Si等主要元素,還含有Cl、S、P、Ca、Ni等微量元素,其中Si元素與Ca元素的質量分數(shù)分別為11.69%和3.02%。由此推斷銀色球狀固體為鈣硅酸鹽(CaO·SiO2)、鐵硅酸鹽(2FeO·SiO2)等非金屬夾雜物。腐蝕產物中Cl質量分數(shù)為0.63%,推斷在壓裂作業(yè)過程中由壬表面及內部非金屬夾雜物受酸性腐蝕環(huán)境的影響,產生的腐蝕產物可能為Fe2+、Ca2+的氯化物,多數(shù)FeCl2、CaCl2溶解于壓裂液中,少量殘余在試樣斷口表面,其反應過程見式(1)～(2)。

圖8 裂紋源區(qū)腐蝕產物形貌及能譜分析結果Fig.8 SEM morphology（a）and EDSanalysis results（b，c）of the corrosion products at the crake source region

由圖9可見:裂紋擴展區(qū)附近主要存在Fe和O元素(空氣環(huán)境中其體積比為2.26∶1),以及少量的C、Ca、Si、Ni,未檢測出Cl、S等腐蝕元素,表明裂紋后續(xù)擴展受腐蝕影響較小,主要受循環(huán)應力影響,推斷裂紋擴展區(qū)主要發(fā)生電化學腐蝕,氧化產物可能為的氧化物,其反應過程如式(3)～(5)。

圖9 裂紋擴展區(qū)腐蝕產物SEM 及能譜分析結果Fig.9 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of the corrosion products at fracture propagation zone

Fe(OH)2在水溶液中很不穩(wěn)定,生成后不久就會形成FeOOH,Fe2O3,且Fe2O3最終會沉淀并附著在試樣斷口上。

2 討 論

2.1 有限元仿真分析

由圖10所示由壬安裝結構示意圖可知,服役期間,由壬整體受到壓裂液傳遞的徑向載荷以及流體內部的摩擦力所產生的軸向載荷,公由壬通過軸肩處的套筒將徑向載荷傳遞到螺母的接觸端,將軸向載荷通過擠壓環(huán)形密封圈傳遞給母由壬[12],母由壬與翼形螺母螺紋連接處發(fā)生載荷傳遞。

圖10 由壬安裝結構示意圖和翼形螺母幾何尺寸Fig.10 Schematic diagram of union mounting structure（a）and geometry of wing nut（b）

采用ABAQUS軟件對圖10(a)所示安裝結構進行有限元(FEM)分析,觀察翼形螺母的應力分布。在進行壓裂作業(yè)時,高壓管匯由壬結構內部充滿高壓液體,因翼形螺母、公由壬、母由壬以及套筒都是軸對稱結構,四者均采用整體模型的1/2進行單元模擬計算,有限元模型如圖11所示。

圖11 翼形螺母的有限元模型Fig.11 Wing nut finite element model

采用高精度六面體的C3D8R 單元對有限元模型進行網(wǎng)格細化(圖12),設置材料的彈性模量為203 GPa,泊松比為0.3。建立RP-1點將除翼形螺母外部件耦合,模型整體采用通用接觸并設置摩擦因數(shù)μ=0.2。

圖12 有限元網(wǎng)格模型Fig.12 FEM mesh model

根據(jù)現(xiàn)場壓裂作業(yè)的泵壓值向內管壁加載95 MPa,把高壓管匯的作用力轉化為作用在公接頭頂部的-100 MPa正壓力。根據(jù)圣維南原理施加約束時將公、母由壬、套筒的橫截面以及翼形螺母外圈表面設為固定約束。

由圖13(a)可見,在工作壓力95 MPa下翼形螺母的最大主應力發(fā)生在與母由壬螺紋連接末端,其值為910 MPa,已經超出翼形螺母的屈服強度,該處會產生塑性變形。其次,較大應力發(fā)生在螺母與公由壬軸肩接觸端,其值為784.25 MPa,在可以接受的范圍內。設定由壬工作壓力為70 MPa,此時翼形螺母的最大主應力同樣出現(xiàn)在母由壬螺紋連接末端,大部分應力為724.65～809.71 MPa,如圖13(b)所示。

圖13 不同工況下螺母的應力云圖Fig.13 Stress nephogram of nut under different conditions：（a）actual work 95 MPa pressure；（b）hypothetical work pressure 70 MPa

由圖14可見:隨著工作壓力的降低,接觸面受到的應力也下降,靠近模型中部受載較均勻,應力波動較小。通過比較分析能判斷現(xiàn)場壓裂作業(yè)的工作壓力未超過材料的強度極限(947 MPa),查閱相關文獻[13]可知試件的安全系數(shù)S=2.25,由材料屈服強度可知S1=σs/σmax=814/910=0.895,遠小于材料安全系數(shù)S,符合現(xiàn)場失效情況,現(xiàn)場由壬翼形螺母完全脫開且發(fā)生撕裂。

圖14 不同工況下螺母的應力曲線Fig.14 Stress curves of nut under different conditions

2.2 失效機理分析

由斷口宏觀、微觀觀察結果可知,由壬翼形螺母斷口符合疲勞斷裂特征,斷口表面有多處裂紋源,每條裂紋產生于試件表面的腐蝕坑,在液壓波動產生的交變應力作用下,裂紋沿徑向向外表面擴展,在斷口上形成連續(xù)的貝紋狀紋路擴展區(qū)。微觀觀察發(fā)現(xiàn)斷口表面有多處點蝕坑,存在疲勞輝紋的區(qū)域較少且模糊不清,判定該由壬翼形螺母斷裂模式為腐蝕疲勞斷裂。同時斷口表面還能觀察到許多球狀腐蝕產物堆積,而球狀腐蝕產物的形成機理是陽極溶解,表明腐蝕疲勞裂紋擴展主要以陽極滑移溶解為主[14]。根據(jù)球狀腐蝕產物的能譜分析結果可知,斷口處有鹵素離子滲入,造成裂紋尖端處、滑移臺階處以及裂紋面間細微接觸處的保護性氧化膜破裂,新金屬表面溶解,氧化物在裸表面上形核發(fā)展。綜上,該由壬翼形螺母失效模式為腐蝕疲勞斷裂,失效機理為陽極滑移溶解。

2.3 失效原因分析

由斷口能譜結果可知,裂紋萌生區(qū)檢測出大量復相球狀硅酸鹽夾雜物,夾雜物周圍高度局部化的塑性變形造成材料疲勞抗力降低,說明在鋼結晶時離開耐火磚而形成的夾雜物來不及上浮到鋼液上、聚集在了鋼錠內[15]。Cl元素的存在表明由壬整體服役時密封失效,少量酸性壓裂液刺漏形成腐蝕環(huán)境。此外,少量硫化物溶解形成的H2S 和HS-促進了鐵從基體上陽極溶解。由鐵離子和亞鐵離子水解導致的局部酸化在斷口表面形成多處腐蝕坑。在循環(huán)應力條件下,夾雜物和基體界面處的腐蝕比在無應力條件下的發(fā)展更快。

由力學性能測試結果可知,該由壬翼形螺母力學性能均達到工藝設計要求,但依照GB/T 3077-2015《結構合金鋼》,材料為40Cr Ni2Mo鋼的由壬翼形螺母強度(σb=947 MPa,σs=814 MPa)未達到國家標準([σb]=1 050 MPa,[σs]=980 MPa)。由于金屬的疲勞極限與抗拉強度近似呈現(xiàn)線性關系,同時金屬的極限抗拉強度會隨硬度增大而增大,而抗拉強度和硬度的提高,會使金屬內部原子間隙產生的應力增大,當金屬受到較高的波動載荷時,應力升高的間隙通過晶粒剪切并聚集在一起,會萌生微觀裂紋[16-17],因此金屬抗拉強度和硬度越高,越容易發(fā)生疲勞失效。相較于按照國家標準推薦熱處理制度(正火890℃+油淬850℃+回火560～580℃)處理后構件的力學性能,該由壬翼形螺母工藝設計要求旨在降低構件力學性能指標來延長壽命周期。

結合有限元仿真結果,服役時期由壬翼形螺母的最大主應力(σmax=910 MPa)已超過其屈服強度(σs=814 MPa),故部件會產生塑性變形進而發(fā)生斷裂,判定該由壬翼形螺母性能不符合實際工作的條件。

3 結論及建議

3.1 結 論

(1) 對翼形螺母表面裂紋以及斷口進行分析,由壬翼形螺母內圈應力集中處存在多處疲勞源,螺母服役過程中不斷受到壓裂液波動產生的交變載荷,并受到活性物質腐蝕的影響,這會加速疲勞裂紋的擴展,最終發(fā)生斷裂。根據(jù)疲勞特征區(qū)的特點判斷翼形螺母斷裂類型為高周低應力疲勞斷裂。

(2) 對翼形螺母進行理化檢測,經調質處理后,工件基體組織為回火索氏體+少量鐵素體,組織表面分布少量碳化物,組織未見異常。螺母洛氏硬度為28～30 HRC、抗拉強度為947 MPa、屈服強度為814 MPa,均符合工藝設計要求,但未達到國家標準要求。

(3) 對翼形螺母進行有限元仿真分析,向公、母由壬內表面施加壓應力,螺母與母由壬螺紋連接末端出現(xiàn)應力集中,與翼形螺母實際斷裂位置一致。

3.2 建 議

(1) 適應壓裂工作環(huán)境連接管匯的由壬組應選擇具有良好耐腐蝕、強韌性的材料。提高Ni元素含量可提高鋼的淬透性和晶粒細化,提高材料沖擊韌度。降低材料中C 元素含量可降低應力腐蝕破裂的敏感性,增強耐腐蝕疲勞性能。

(2) 通過改善調制處理工藝加強材料綜合性能,隨著回火溫度提升,材料的強度將減小,塑性韌性會增加[17]。將回火控制在550℃左右能得到良好的抗拉強度和屈服強度,同時采用快速油淬火可以保證工藝的穩(wěn)定性。

(3) 對由壬翼形螺母進行表面噴丸處理,公、母由壬之間應采用合理的密封材料和安裝工藝以提高由壬密封性能,防止構件服役時發(fā)生壓裂液泄漏。

(4) 降低壓裂泵壓以降低構件的工作應力或加強材料的力學性能以滿足工作條件,保證構件受到的最大主應力不超過材料的屈服強度。

(5) 提高鋼的冶煉質量和材料的純凈度,降低構件內夾雜物含量,防止破壞鋼基體的均勻連續(xù)性,造成應力集中而產生的疲勞裂紋。