在某油田作業時，我廠生產的一只2“×105MPa彎頭失效，據用戶統計，該產品工作時間累計近500h。經查閱生產資料，該產品材質為20CrNiMo合金鋼，產品制造流程為：原材料入廠檢驗→下料→加熱墩粗→鏜孔→加熱煨彎→調質→粗加工→滲碳淬火→回火→精加工→磁粉探傷→裝配。出廠前按《高壓流體控制產品出廠實驗程序》的要求進行過壓力值為158MPa的本體強度試驗，檢測結果符合技術要求。為了弄清楚失效原因，我們對產品進行了解剖分析。

    1.宏觀斷口特征沿裂紋打開（見圖1），宏觀可見斷口銹蝕嚴重。

    圖1  破裂彎頭宏觀照片

    斷口經丙酮和酒精清洗后觀察，大部分斷口比較平直，呈脆性斷裂特征，在90°煨彎處斷口較粗糙，說明該處是最后撕裂區，斷口上有河流狀條紋，根據條紋的走向判斷，裂紋起源于彎頭外彈道厚度最薄處（見圖2）。

    圖2  彎頭裂紋源

    2.化學成分對失效彎頭取樣作化學成分分析，檢測數據見表1，結果表明，產品化學成分均符合GB/T 3077-1999《合金結構鋼》標準中對20CrNiMoA鋼的成分要求。該數據也與原材料生產廠家提供的材質合格書相一致，說明原材料化學成分符合我廠超高壓活動彎頭技術要求。

表1  爆裂彎頭的化學成分（質量分數）（%）

    3.磁粉探傷對失效彎頭內壁及外壁均進行了磁粉探傷，除了主斷口外，彎頭其他任何部位均未見微裂紋。

    4.力學性能依據美國A370《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》標準取樣，做相關力學性能檢驗，檢測結果見表2。采用API6A《井口裝置和采油樹設備規范》及FMC公司高壓活動彎頭力學性能要求對該失效產品進行力學性能判定，由試驗結果可見，產品各項力學性能均滿足相關標準與技術要求，證明該失效產品制造工藝及過程控制滿足了我廠高壓活動彎頭產品技術要求。

    表2  力學性能

    5.微觀特征及顯微組織

    在靠近裂紋源處磨制試樣并拋光后用顯微鏡觀察，發現斷口邊緣及其附近多處有夾渣，如圖3所示，該類型缺陷及缺陷尺寸為本產品技術要求所不容許的。經4%硝酸酒精腐蝕后，彎頭內壁有較嚴重的腐蝕坑，由斷面主裂紋衍生出的二次裂紋主要沿著晶界擴展，如圖4所示。

    （a）

（b）

圖3  斷口邊緣及其附近夾渣  （未腐蝕試驗）

（a）

（b）

圖4 內壁腐蝕坑及沿晶擴展裂紋 （4%硝酸酒精）

    試樣表層組織均為馬氏體+混合組織，如圖5所示，試樣心部為馬氏體+少量粒狀貝氏體+鐵素體的回火組織，如圖6所示。經測量，試樣內、外壁滲碳層深度為1.1mm，符合相關技術條件要求。

    圖5  試樣表面組織（4%硝酸酒精）

圖6  心部組織（4%硝酸酒精）

    6.腐蝕產物分析

    如圖7所示，對活動彎頭進行了內壁腐蝕產物檢測分析，發現氯元素嚴重聚集（見表3），該產品原材料中不存在該組元，這說明在壓裂過程作業中，可能進行過酸化作業，加入的HCI溶液對活動彎頭內壁造成了腐蝕，并隨著作業時間的延長腐蝕速度會逐步加快。

    圖7 內壁腐蝕電鏡形貌及產物組分分析位置

表3  內壁腐蝕產物檢測分析（質量分數）（%）

    7.分析判斷

    根據上述檢驗結果，可認為該活動彎頭發生的失效事故，屬于應力腐蝕破裂。應力腐蝕是金屬構件在拉應力和腐蝕介質共同作用下，出現的一種常見破壞形式，特別是在油田作業行業。具體因素分析如下：

    （1）活動彎頭內壁腐蝕嚴重，腐蝕產物中出現了大量的氯元素；微裂紋主要沿著晶界產生并擴展；說明活動彎頭是在含氯離子的工況下發生的沿晶型應力腐蝕開裂。

    （2）該失效產品裂紋源附近存在著尺寸較大的夾雜物，夾雜物的存在會明顯降低材料的耐腐蝕性能，特別是當夾雜物裸露于腐蝕性溶液中時，會快速腐蝕并形成相應的孔洞，隨后演變成為裂紋源。

    （3）原材料入廠時進行的金相檢驗結果表明，材質符合技術要求；失效產品解剖后的力學性能檢驗結果亦表明，除了裂紋源及其附近存在著夾雜物之外，其它部位金相組織均符合我廠技術要求，這說明該批次原材料符合我廠高壓活動彎頭技術要求。

    （4）材料的腐蝕程度會隨著時間的延長而增加。該產品失效前累計工作時間超過500h，由于介質的腐蝕性加上壓裂介質的沖蝕，材料內部的夾雜物會逐漸裸露出來，導致了其快速腐蝕并形成裂紋源。

    （5）長時間累計作業及少量非允許的夾雜物是此次爆裂的主要原因。

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責任編輯：王元

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