127 mm S135型鉆桿管體刺穿失效分析

陳長(zhǎng)青，李齊富，劉進(jìn)田，徐永生，王寶忠

（1.渤海裝備制造有限公司 第一機(jī)械廠，河北 青縣062658；2.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安710201；3.渤海鉆探工程公司 第三鉆井分公司，天津300280） ①

1 宏觀分析

失效的127 mm×9.19 mm S135型鉆桿樣品長(zhǎng)度約為450 mm，試樣上有3處刺孔，刺孔部位外表面腐蝕明顯比其他部位嚴(yán)重；刺孔位于鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡錐面消失部位附近，除刺穿部位以外的內(nèi)壁涂層均完好，鉆桿內(nèi)加厚錐面長(zhǎng)度約為110 mm，如圖1所示。經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)，試樣外表面靠近刺孔部位有許多周向分布的微裂紋存在，如圖2～3。

圖1 失效鉆桿宏觀形貌

圖2 刺孔形貌

圖3 刺孔周?chē)鸭y形貌

2 理化檢測(cè)

2.1 金相分析

從失效鉆桿樣品上取樣，分析材料中的夾雜物、金相組織和晶粒度，分析結(jié)果如表1所示。材料的金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為8.0級(jí)。金相分析表明：試樣外表面小腐蝕坑內(nèi)有大量裂紋分布，腐蝕坑及裂紋周?chē)M織無(wú)異常，裂紋穿晶擴(kuò)展，如圖4～5所示。

表1 材料的非金屬夾雜物和顯微組織

圖4 失效鉆桿外表面萌生的裂紋

2.2 化學(xué)成分分析

從失效鉆桿樣品上取樣檢測(cè)化學(xué)成分，結(jié)果如表2所示，可以看出：鉆桿材料為20Cr MnMo，材料化學(xué)成分中的S和P含量符合SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)［5］。

圖5 鉆桿外表面微裂紋形貌

表2 鉆桿的化學(xué)成分w B%

2.3 力學(xué)性能分析

從失效鉆桿樣品上取板狀拉伸試樣，規(guī)格為7.5 mm×10 mm×55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表3。結(jié)果表明：失效鉆桿的拉伸性能和常溫縱向沖擊功符合SY/T 5561—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，－20℃條件下的縱向沖擊功符合SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充技術(shù)條件要求。

表3 鉆桿管體力學(xué)性能

2.4 微觀形貌及能譜分析

將失效試樣外表面的長(zhǎng)裂紋打開(kāi)，清洗后采用掃描電子顯微鏡對(duì)其表面形貌進(jìn)行微觀分析。裂紋斷面呈橢圓形，斷面放射棱線收斂于外表面腐蝕坑底部，低倍可見(jiàn)明顯的疲勞弧線形貌，如圖6所示。高倍下觀察發(fā)現(xiàn)，靠近裂紋源區(qū)位置被嚴(yán)重腐蝕，裂紋擴(kuò)展區(qū)高倍下可見(jiàn)明顯的疲勞條帶形貌（如圖7所示）。能譜分析表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)的腐蝕主要為氧腐蝕，如圖8所示。

圖6 裂紋斷面形貌

圖7 裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶

圖8 裂紋表面的能譜分析

3 綜合分析

失效鉆桿材料的理化性能符合API Spec 5DP—2010和SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)。

失效鉆桿樣品上有3處刺孔，刺孔位于鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡錐面消失部位附近，鉆桿內(nèi)加厚錐面長(zhǎng)度約為110 mm，鉆桿內(nèi)壁涂層除刺穿部位外均完好，刺孔部位的鉆桿外表面腐蝕明顯比其他部位嚴(yán)重。磁粉探傷和金相分析表明：刺孔周?chē)你@桿外壁腐蝕坑底部有大量裂紋存在，裂紋周?chē)M織無(wú)異常。打開(kāi)鉆桿外壁的長(zhǎng)裂紋后發(fā)現(xiàn)：裂紋斷面呈橢圓形，斷面放射棱線收斂于外表面腐蝕坑底部，有明顯的疲勞弧線形貌；高倍顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶特征；能譜分析表明，裂紋表面的腐蝕主要為氧腐蝕。綜合以上特征分析可以確定，鉆桿刺穿失效為腐蝕疲勞失效，裂紋起源于鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡錐面消失部位對(duì)應(yīng)的外表面腐蝕坑底部。

失效鉆桿內(nèi)加厚錐面長(zhǎng)度約為110 mm，達(dá)到API Spec 5DP—2010要求的最小長(zhǎng)度76.2 mm和SY/T 5561—2008標(biāo)準(zhǔn)要求的100 mm。鉆桿內(nèi)加厚錐面與管體之間的過(guò)渡較為光滑，這降低了鉆桿內(nèi)加厚錐面消失部位內(nèi)壁的應(yīng)力集中程度。當(dāng)鉆桿承受扭矩和彎矩載荷時(shí)，鉆桿內(nèi)加厚錐面消失部位的最大拉應(yīng)力便會(huì)向外表面轉(zhuǎn)移，尤其是外表面局部腐蝕坑的存在會(huì)進(jìn)一步加劇外表面的應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生。依據(jù)鉆桿失效部位的裂紋特征推測(cè)，鉆桿的失效可能與其在大井斜角部位長(zhǎng)時(shí)間服役有關(guān)。鉆桿的全尺寸實(shí)物疲勞試驗(yàn)是目前評(píng)價(jià)鉆桿疲勞壽命的最有效方法，為了保證鉆桿的服役安全，建議對(duì)該批次鉆桿的剩余疲勞壽命進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

1） 鉆桿管體的刺穿失效為腐蝕疲勞失效，裂紋起源于管體內(nèi)加厚錐面消失部位對(duì)應(yīng)的外壁腐蝕坑底部，鉆桿外壁的腐蝕為氧腐蝕。

2） 建議對(duì)該批次鉆桿的剩余疲勞壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。

［1］ 劉永剛，崔順賢，路彩虹，等.失效分析促進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：87－90.

［2］ 李方坡，劉永剛，路彩虹，等.127mm G105鉆桿加厚區(qū)刺穿失效分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：40－43.

［3］ 鮮奇飚，林元華，李玉林，等.鉆桿失效中流場(chǎng)誘導(dǎo)因素模擬分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（6）：35－38.

［4］ 張 瑟，張國(guó)正，張春婉，等.雙臺(tái)肩鉆桿接頭開(kāi)裂失效分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：71－77.

［5］ SY/T5561—2008，摩擦焊接鉆桿［S］.