在某油田作业时，我厂生产的一只2“×105MPa弯头失效，据用户统计，该产品工作时间累计近500h。经查阅生产资料，该产品材质为20CrNiMo合金钢，产品制造流程为：原材料入厂检验→下料→加热墩粗→镗孔→加热煨弯→调质→粗加工→渗碳淬火→回火→精加工→磁粉探伤→装配。出厂前按《高压流体控制产品出厂实验程序》的要求进行过压力值为158MPa的本体强度试验，检测结果符合技术要求。为了弄清楚失效原因，我们对产品进行了解剖分析。

    1.宏观断口特征沿裂纹打开（见图1），宏观可见断口锈蚀严重。

    图1  破裂弯头宏观照片

    断口经丙酮和酒精清洗后观察，大部分断口比较平直，呈脆性断裂特征，在90°煨弯处断口较粗糙，说明该处是最后撕裂区，断口上有河流状条纹，根据条纹的走向判断，裂纹起源于弯头外弹道厚度最薄处（见图2）。

    图2  弯头裂纹源

    2.化学成分对失效弯头取样作化学成分分析，检测数据见表1，结果表明，产品化学成分均符合GB/T 3077-1999《合金结构钢》标准中对20CrNiMoA钢的成分要求。该数据也与原材料生产厂家提供的材质合格书相一致，说明原材料化学成分符合我厂超高压活动弯头技术要求。

表1  爆裂弯头的化学成分（质量分数）（%）

    3.磁粉探伤对失效弯头内壁及外壁均进行了磁粉探伤，除了主断口外，弯头其他任何部位均未见微裂纹。

    4.力学性能依据美国A370《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》标准取样，做相关力学性能检验，检测结果见表2。采用API6A《井口装置和采油树设备规范》及FMC公司高压活动弯头力学性能要求对该失效产品进行力学性能判定，由试验结果可见，产品各项力学性能均满足相关标准与技术要求，证明该失效产品制造工艺及过程控制满足了我厂高压活动弯头产品技术要求。

    表2  力学性能

    5.微观特征及显微组织

    在靠近裂纹源处磨制试样并抛光后用显微镜观察，发现断口边缘及其附近多处有夹渣，如图3所示，该类型缺陷及缺陷尺寸为本产品技术要求所不容许的。经4%硝酸酒精腐蚀后，弯头内壁有较严重的腐蚀坑，由断面主裂纹衍生出的二次裂纹主要沿着晶界扩展，如图4所示。

    （a）

（b）

图3  断口边缘及其附近夹渣  （未腐蚀试验）

（a）

（b）

图4 内壁腐蚀坑及沿晶扩展裂纹 （4%硝酸酒精）

    试样表层组织均为马氏体+混合组织，如图5所示，试样心部为马氏体+少量粒状贝氏体+铁素体的回火组织，如图6所示。经测量，试样内、外壁渗碳层深度为1.1mm，符合相关技术条件要求。

    图5  试样表面组织（4%硝酸酒精）

图6  心部组织（4%硝酸酒精）

    6.腐蚀产物分析

    如图7所示，对活动弯头进行了内壁腐蚀产物检测分析，发现氯元素严重聚集（见表3），该产品原材料中不存在该组元，这说明在压裂过程作业中，可能进行过酸化作业，加入的HCI溶液对活动弯头内壁造成了腐蚀，并随着作业时间的延长腐蚀速度会逐步加快。

    图7 内壁腐蚀电镜形貌及产物组分分析位置

表3  内壁腐蚀产物检测分析（质量分数）（%）

    7.分析判断

    根据上述检验结果，可认为该活动弯头发生的失效事故，属于应力腐蚀破裂。应力腐蚀是金属构件在拉应力和腐蚀介质共同作用下，出现的一种常见破坏形式，特别是在油田作业行业。具体因素分析如下：

    （1）活动弯头内壁腐蚀严重，腐蚀产物中出现了大量的氯元素；微裂纹主要沿着晶界产生并扩展；说明活动弯头是在含氯离子的工况下发生的沿晶型应力腐蚀开裂。

    （2）该失效产品裂纹源附近存在着尺寸较大的夹杂物，夹杂物的存在会明显降低材料的耐腐蚀性能，特别是当夹杂物裸露于腐蚀性溶液中时，会快速腐蚀并形成相应的孔洞，随后演变成为裂纹源。

    （3）原材料入厂时进行的金相检验结果表明，材质符合技术要求；失效产品解剖后的力学性能检验结果亦表明，除了裂纹源及其附近存在着夹杂物之外，其它部位金相组织均符合我厂技术要求，这说明该批次原材料符合我厂高压活动弯头技术要求。

    （4）材料的腐蚀程度会随着时间的延长而增加。该产品失效前累计工作时间超过500h，由于介质的腐蚀性加上压裂介质的冲蚀，材料内部的夹杂物会逐渐裸露出来，导致了其快速腐蚀并形成裂纹源。

    （5）长时间累计作业及少量非允许的夹杂物是此次爆裂的主要原因。

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责任编辑：王元

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