Page 91 - 理化检验-物理分册2024年第十二期

袁 琴，等：J55套管断裂原因

1号试样的位置为钢管断面的瞬断区附近，裂口 要求，但钢管的冲击性能一般。裂纹周边未见异常。
由外表面向内表面延伸，但没有贯穿。 钢管基体组织存在混晶现象。
对1号试样缺陷处外表面进行磨制、抛光和观 从钢管断口处典型的金相检验结果可以看到，
察，结果如图7所示。由图7可知：裂纹处未观察到 裂纹由外表面起始向内扩展，并呈现由细到粗再到
非金属夹杂物，从断口的底部可以明显看到钢管外 细的特点。钢管外表面起始裂纹处的脱碳现象说明
表面存在纵向裂纹缺陷。 钢管外表面存在原始细小裂纹。另外，裂纹附近组
织混晶现象严重，晶粒存在明显变形。通过以上分
析可以推断：该J55套管断裂的原因是钢管在超设计
使用过程中，钢管所承受的拉力和扭转力达到了钢
管截面实际所能承受的极限值，这时钢管外表面局
部存在的细小裂纹成为了断裂起裂源，再加上裂纹
处粗大的晶粒使晶界的曲折减少，导致裂纹沿粗大
晶粒的晶界传播，并在外力的作用下向内表面扩展，
最终导致钢管发生断裂现象。
图 7 抛光态裂纹微观形貌 采用37Mn5钢生产的J55套管在热轧状态下的
用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样， 再 组织一般为珠光体+网状铁素体，网状铁素体的存
将试样置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由 在破坏了组织的连续性，在一定程度上降低了材料
图8可知： 断口周围组织为珠光体+网状铁素体，混 的塑性、冲击韧性和疲劳韧性 [7-8] ，这就使得 J55 油
晶现象不明显，断口一侧有脱碳现象。说明钢管外 井管的使用条件受到一定限制。对于水井开采来
表面存在原始的细小纵向裂纹。 说，采用J55钢级的钢管是可行的， 但一定要根据下
井深度等条件设计好所使用钢管的外径和壁厚。钻
井工程设计要求使用规格为 177.8 mm×8.05 mm
的J55 套管，而实际使用了 177.8 mm×6.91 mm 套
管，钢管处于超负荷服役状态，钢管承受了过大的
力，这也是钢管断裂的原因之一。

3 结语及建议

（1）J55钢管断裂模式为塑性断裂，且断裂原因
不是化学成分、力学性能和非金属夹杂物不合格。
图 8 腐蚀后裂纹周围显微组织形貌
（2）由钢管断口的初步分析可知，钢管表面存
1.5 扫描电镜 （SEM）分析
在的细小裂纹缺陷和不良的混晶组织，再加上钢管
将断口试样进行超声清洗后，置于扫描电镜下
的超设计使用是钢管断裂掉井的主要原因。
观察，结果如图9所示。由图9可知： 断口锈蚀严重，
（3）建议控制好管坯的加热温度，避免终轧温
微观形貌以韧窝为主，呈韧性断裂特征。
度偏高，尤其对于终轧道次变形量较小规格的管坯
尤其重要，以避免混晶组织的产生。可以通过正火
热处理方式消除产生的混晶组织。
（4）37Mn5钢在热轧状态下的组织一般为珠光
体+网状铁素体，在热轧时要避免管坯加热温度过
高而造成材料的晶粒度粗大以及产生混晶。建议采
取正火并控制冷却速率的热处理方式消除网状铁素
体，以提高钢管的塑性和韧性。
图 9 钢管断口 4 号试样 SEM 形貌 参考文献：
2 综合分析
[1] 李春艳，庄汉洲，毛新平．J55钢级石油套管用热轧钢
该断裂钢管的化学成分、力学性能均符合标准 （下转第81页）
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