氯離子濃度對(duì)鉆桿鋼門檻區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響

摘 要：本文通過對(duì)S135鉆桿鋼疲勞破壞分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合疲勞破壞過程中疲勞裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律，主要研究了不同氯離子濃度下的介質(zhì)環(huán)境對(duì)S135鉆桿鋼疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響。通過力學(xué)性能試驗(yàn)、金相組織觀察、掃描電鏡斷口分析、疲勞裂紋擴(kuò)展速率分析等方法，探討了不同氯離子濃度下的介質(zhì)環(huán)境對(duì)S135鉆桿鋼疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響。

關(guān)鍵詞：鉆桿鋼;疲勞裂紋擴(kuò)展速率;氯離子濃度;門檻區(qū)

1 疲勞的基本定義

金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。隨著油氣勘探地下條件的日趨復(fù)雜，在鉆井過程中，不得不使用鉆井液對(duì)鉆桿進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)。鉆井液或稱鉆井泥漿，是鉆井作業(yè)中使用的一種專用流體，是油氣鉆井工程的一個(gè)重要組成部分，具有懸浮、壓力控制、巖層穩(wěn)定性、浮力作用、潤(rùn)滑和冷卻等作用。鋼在交變載荷和腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的斷裂稱為腐蝕疲勞斷裂。在交變載荷和腐蝕環(huán)境的協(xié)同作用下，金屬結(jié)構(gòu)件往往發(fā)生非常嚴(yán)重的機(jī)械腐蝕破壞。因而，我們提出鉆桿材料在含氯介質(zhì)中的腐蝕行為研究。本實(shí)驗(yàn)主要研究氯離子濃度對(duì)鉆桿鋼門檻區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響。在了解鉆桿鉆井、腐蝕疲勞失效原理的基礎(chǔ)上，研究氯離子濃度對(duì)鉆桿鋼腐蝕疲勞性能的影響。為套管鉆井的施工和安全提供保障。

2 實(shí)驗(yàn)材料

金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)可以采用標(biāo)準(zhǔn)CT試樣或標(biāo)準(zhǔn)CCT試樣。本次實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)CT試樣。

試樣厚度：對(duì)于CT試樣而言，推薦厚度范圍為W/20≤

B≤W/4（W≥25mm）;對(duì)于CCT試樣，推薦試樣厚度上限為w/8，所必要的最小厚度要能避免屈曲。試樣寬度：為測(cè)得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)材料的條件屈服強(qiáng)度σ0.2以及預(yù)期的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子的極限值KmaxL和CT試樣的a/W或CCT試樣的2a/W極限值選擇試樣的最小可寬度W。試樣切口：CT試樣的切口長(zhǎng)度an應(yīng)不小于0.2W。CCT試樣的切口前緣到中心的距離an應(yīng)不小于中心孔徑的3倍，當(dāng)采用柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)，建議中心裂紋長(zhǎng)度2an不小于0.2W。試樣切口可通過銑切、線切割和其他方法加工而成。本次試驗(yàn)采用的CT試樣的尺寸為：W=30，B=4.8，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a=11。

試樣不可避免地會(huì)存在殘余應(yīng)力，它有可能引起疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化。通過選擇合適的試樣形狀和尺寸及合理的試樣加工與熱處理工藝等，使殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響盡量減小。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率并非總是與試樣的幾何形狀無關(guān)，試樣厚度的變化對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響有可能增大、減小或保持不變，因此，對(duì)試樣的厚度效應(yīng)應(yīng)當(dāng)引起注意。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 金相試樣實(shí)驗(yàn)

通過：取樣--磨制--拋光--侵蝕的操作流程，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將上面拋光好的試樣用預(yù)先配置好的4%的硝酸酒精溶液侵蝕，侵蝕時(shí)間為2～3s。若侵蝕不足則繼續(xù)侵蝕;但侵蝕過度時(shí)，則需重新拋光，再進(jìn)行侵蝕。

3.2 材料化學(xué)成分分析

檢測(cè)S135鋼的成分，確定材料是否合格，需要測(cè)試的成分包括（C，Si，Mn，P，S，Cr，Ni，Cu，Mo，V）。本次試驗(yàn)采用光譜儀測(cè)試材料的成分。取材料S135鉆桿鋼的接箍的部分，光譜儀是依據(jù)不同元素的特征XR具有不同的波長(zhǎng)這一特點(diǎn)來對(duì)檢測(cè)的XR進(jìn)行分散展譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)微區(qū)成分的分析。因此，利用WDS就可以檢測(cè)出S135鋼的成分，確定其是否合格。

3.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)的目的和特點(diǎn)：拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最普遍、最常用也是最重要的一種試驗(yàn)方法。目的：結(jié)構(gòu)和零部件設(shè)計(jì)上的需要，材料研究和工藝選擇上的需要，出廠檢驗(yàn)和進(jìn)料驗(yàn)收;特點(diǎn)：能夠反映材料的基本屬性，簡(jiǎn)單、快捷和可靠。

試驗(yàn)后試樣出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的縮頸以及顯示出肉眼可見的冶金缺陷（例如分層、氣泡、夾渣、縮孔等），應(yīng)在試驗(yàn)記錄和報(bào)告中注明。

3.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)使用夏比V型缺口，試樣尺寸應(yīng)為10mm×

10mm×55mm，在長(zhǎng)度中部開有2mm深的V型缺口。但是，當(dāng)坯料尺寸無法滿足10mm×10mm×55mm要求時(shí)，可加工成7.5mm×10mm×55mm小尺寸的輔助試樣。沖擊試驗(yàn)方法與其他試驗(yàn)方法相比有3個(gè)特點(diǎn)：沖擊速度高，約為拉伸速度的103～105倍;沖擊試樣開缺口;沖擊試驗(yàn)的受力狀態(tài)是試樣缺口一面受拉，與之相對(duì)的另一面受壓。

3.5 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

用最小分度值不大于0.01mm的量具在試樣的韌帶區(qū)域三點(diǎn)處測(cè)量厚度B，取算術(shù)平均值;用最小分度值不大于0.001mm的量具在試樣的裂紋所在截面附近測(cè)量寬度W。

預(yù)制疲勞裂紋。預(yù)制疲勞裂紋的加力要求：預(yù)制疲勞裂紋時(shí)應(yīng)使最大力Pmax的誤差控制在±5%以內(nèi);預(yù)制疲勞裂紋最后一級(jí)的最大力值不得超過開始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的最大力值;預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度的要求：在前后表面上從切口頂端到疲勞裂紋尖端測(cè)量裂紋長(zhǎng)度。測(cè)量應(yīng)準(zhǔn)確到±0.1mm或±0.002W中較大者，所測(cè)各個(gè)裂紋長(zhǎng)度均應(yīng)大于0.1B和切口寬度h，但不得小于1mm（W>127mm的試樣，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度應(yīng)準(zhǔn)確到0.25mm以內(nèi)）。

3.6 斷口形貌觀察

斷口分析的方法根據(jù)研究手段的不同，斷口分析方法分為宏觀分析方與微觀分析兩種：斷口的宏觀分析是用肉眼、放大鏡或低倍率光學(xué)顯微鏡來研究斷口的特征;斷口的微觀分析是使用高倍率光學(xué)顯微鏡（50倍以上）、掃描電子顯微鏡SEM和透射電子顯微鏡TEM（可高達(dá)幾十萬倍）來研究斷口的特征。本次試驗(yàn)，選用本次試驗(yàn)，采用JEOL-6390A型掃描電鏡觀察裂紋擴(kuò)展的形式，試樣取自拉伸和裂紋擴(kuò)展試樣斷口。

4 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

分析上表（表1）試驗(yàn)材料所含合金元素種類及C含量（0.28%），知S135鋼為中碳低合金鋼。S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.03%，這對(duì)于提高強(qiáng)度和斷裂韌性均有作用，可見S135鋼為優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)級(jí)鉆桿鋼（API SPEC 5D美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，即磷不大于0.03%，硫不大于0.03%）。檢測(cè)結(jié)果表明試驗(yàn)所用材料符合API SPEC 5D美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

S135鉆桿鋼的拉伸性能分析結(jié)果顯示此材料滿足API SPEC 5D標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S135鋼級(jí)的性能要求。

各力學(xué)性能試驗(yàn)值如下表所示：

，在低濃度時(shí)由于腐蝕液的影響較小，我們能清楚地看到裂紋條帶和疲勞裂紋，隨著濃度的增加，由于腐蝕液在晶面形成的腐蝕雜質(zhì)可能覆蓋在晶體表面，所以我們不能夠清楚的觀察到斷口的形貌。只能根據(jù)不同濃度下裂紋擴(kuò)展速率的大小比較來推測(cè)濃度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

5 通過試驗(yàn)從中得到的結(jié)論如下

①對(duì)于S135鋼，在其他條件相同時(shí)，隨著溶液濃度增大，Paris公式中的指數(shù)m和C變化并不大;②在Paris區(qū)，溶液濃度對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響不大，相比之下，在3.0%KCL濃度下，相同ΔK下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率更高;③與Paris區(qū)相比，氯離子濃度對(duì)門檻區(qū)裂紋擴(kuò)展速率影響更顯著，且隨著濃度的增加，門檻值裂紋擴(kuò)展速率總體呈先增加后減小趨勢(shì)，在3.0%KCL濃度下，裂紋擴(kuò)展速率最高。

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作者簡(jiǎn)介：

王超（1982- ），男，山東人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：鉆井平臺(tái)設(shè)備維護(hù)與管理。