42CrMo鋼三棱螺旋鉆桿接頭斷裂原因分析

余世杰, 龔丹梅, 陳 猛, 歐陽(yáng)志英

(1. 上海海隆石油管材研究所，上海 200949;2. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200072)

近年來(lái)，三棱螺旋鉆桿在煤層氣開(kāi)采和煤層深孔鉆進(jìn)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。三棱螺旋鉆桿是在光面鉆桿的表面加工出螺旋溝槽或者在其上纏繞焊接鋼條以形成螺旋凸棱[1-2]，在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到煤層塌孔時(shí)依靠螺旋助動(dòng)力將緊貼在鉆桿上的煤屑扒出，進(jìn)而疏通風(fēng)力或水力排屑主通道，使煤層氣開(kāi)采和煤層深孔鉆進(jìn)高效持續(xù)地進(jìn)行。因此保證三棱螺旋鉆桿的力學(xué)性能和服役可靠性對(duì)于煤層氣開(kāi)采和煤層深孔鉆進(jìn)的安全作業(yè)至關(guān)重要[3-4]。

某煤礦在進(jìn)行煤層鉆采作業(yè)過(guò)程中發(fā)生了幾起三棱螺旋鉆桿接頭斷裂事故，發(fā)生事故的礦井為水平支井，井深為500～1 000 m，發(fā)生斷裂的三棱螺旋鉆桿處于水平井深30～100 m處，斷裂處位于鉆桿公接頭螺紋大端第一完整牙附近，鉆機(jī)扭矩為2 000 N·m。斷裂的三棱螺旋鉆桿均為投入使用不久的新鉆桿，規(guī)格為φ75 mm×15 mm，材料為42CrMo鋼，螺紋扣型為偏梯形扣，其采用的雙臺(tái)肩接頭螺紋結(jié)構(gòu)不符合API SPEC 5DP：2009(2015)SpecificationforDrillPipe的技術(shù)要求。為查明該三棱螺旋鉆桿接頭斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀查

對(duì)斷裂的三棱螺旋鉆桿進(jìn)行宏觀觀查，由圖1可見(jiàn)，斷裂發(fā)生在鉆桿公接頭螺紋大端第一完整牙處，接頭的原始斷面被破壞，部分?jǐn)嗝姹粩D壓磨損露出新鮮基體，受摩擦生熱的影響，部分基體呈藍(lán)黑色。斷面有金屬擠壓時(shí)留下的劃痕，斷口一側(cè)的金屬被擠壓翻入鉆桿的內(nèi)外壁形成飛邊，由此可推斷鉆桿接頭斷裂后還與井下鉆具發(fā)生了機(jī)械摩擦。由圖2可見(jiàn)，斷口一側(cè)存在瞬斷區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)形成的交界線，裂紋沿著螺紋牙底向鉆桿內(nèi)壁擴(kuò)展，由此推斷裂紋起源于接頭螺紋牙底。

圖1 鉆桿接頭斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fracture of drill pipe joint

對(duì)鉆桿的內(nèi)徑和壁厚分別測(cè)量3次，得到鉆桿的內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果分別為44.20，44.44，44.18 mm，壁厚測(cè)量結(jié)果分別為15.54，15.46，15.38 mm。另外觀察可見(jiàn)鉆桿表面質(zhì)量良好，外壁無(wú)明顯腐蝕坑。

圖2 斷口瞬斷區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the crack transient andexpansion area on the fracture

1.2 化學(xué)成分分析

在鉆桿接頭斷口附近取樣，采用ARL 4460 OES型直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)鉆桿接頭的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》及API SPEC 5DP：2009(2015)對(duì)42CrMo鋼的成分要求。

表1 鉆桿接頭的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the drill pipe joint (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照ASTM A370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，在鉆桿接頭斷口附近取圓棒拉伸試樣，采用WAW-600型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)鉆桿接頭的拉伸性能符合技術(shù)要求。

表2 鉆桿接頭的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the drill pipe joint

根據(jù)ASTM A370—2017在鉆桿接頭斷口附近取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的縱向沖擊試樣，采用JBN-300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行20 ℃下的沖擊試驗(yàn)，得到鉆桿接頭的沖擊吸收能量分別為28，30，28 J，沖擊吸收能量平均值為29 J，不符合企業(yè)技術(shù)文件不小于54 J的要求。

采用掃描電鏡(SEM)觀察沖擊試樣的斷口形貌，見(jiàn)圖3，斷口呈準(zhǔn)解理形貌，70%面積區(qū)域呈結(jié)晶狀。

圖3 鉆桿接頭沖擊試樣斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of impact sample fractureof the drill pipe joint

1.4 硬度測(cè)試

在鉆桿接頭靠近斷面的管體部位取樣，采用600MRD型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣橫截面隨機(jī)取33個(gè)位置進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖4所示，結(jié)果見(jiàn)表3。可見(jiàn)鉆桿接頭的洛氏硬度均不符合企業(yè)技術(shù)文件中32～36 HRC的要求。

圖4 鉆桿接頭洛氏硬度測(cè)試位置示意圖Fig.4 Diagram of Rockwell hardness test positionsof the drill pipe joint

HRC

1.5 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，在鉆桿接頭螺紋厚壁部位取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖5可見(jiàn)，鉆桿接頭基體顯微組織為回火索氏體+極少量上貝氏體，部分回火索氏體仍保留了淬火馬氏體的位相。由圖6可見(jiàn)，鉆桿接頭管體內(nèi)外壁顯微組織中均有0.10～0.20 mm的脫碳層。根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)鉆桿接頭基體顯微組織中的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為A1.5，C0.5，D1.0級(jí)。

圖5 鉆桿接頭基體顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the drill pipe joint matrix

圖6 鉆桿接頭管體內(nèi)壁顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of inner wall of the drill pipe joint

2 分析與討論

斷裂鉆桿接頭的服役時(shí)間遠(yuǎn)低于其正常使用壽命，屬于早期的疲勞斷裂。鉆桿在水平井段服役過(guò)程中主要受到旋轉(zhuǎn)扭矩及彎曲載荷作用，鉆桿接頭螺紋斷裂主要與鉆桿接頭材料的理化性能及接頭螺紋部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中有關(guān)[5-6]。

2.1 理化性能分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，鉆桿接頭斷裂部位的洛氏硬度為36～42 HRC，不符合企業(yè)技術(shù)要求。鉆桿接頭靠近斷面的管體部位的沖擊吸收能量平均值僅為29 J，也不符合企業(yè)技術(shù)要求。當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，材料的沖擊吸收能量越大，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就越大；當(dāng)外力一定時(shí)，若材料的沖擊吸收能量越大，其裂紋達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸就越大。而該鉆桿接頭的沖擊吸收能量過(guò)低，鉆桿抗疲勞開(kāi)裂能力下降，在裂紋萌生后，會(huì)快速發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，鉆桿接頭基體的顯微組織為回火索氏體+極少量上貝氏體，且部分回火索氏體仍保留了淬火馬氏體的位相。這表明鉆桿接頭在熱處理時(shí)回火不充分，導(dǎo)致硬度偏高，沖擊吸收能量較低，未達(dá)到企業(yè)技術(shù)要求。

鉆桿是承受動(dòng)載荷的構(gòu)件，鉆桿的沖擊吸收能量將極大地影響其抗疲勞性能，材料的沖擊吸收能量越低，其抗疲勞性能越差。根據(jù)雙臺(tái)肩鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式，當(dāng)鉆桿接頭屈服強(qiáng)度為1 070 MPa時(shí)，可計(jì)算出該接頭的抗扭強(qiáng)度約為4 916 MPa，而鉆機(jī)提供的扭矩不超過(guò)3 000 N·m。鉆桿承受的動(dòng)載荷雖低于結(jié)構(gòu)的名義承載能力，但如果結(jié)構(gòu)中有微小缺陷或應(yīng)力集中，則易產(chǎn)生塑性變形，從而萌生裂紋。隨著外力循環(huán)次數(shù)的增加，微小裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，鉆桿接頭較低的沖擊吸收能量將降低裂紋擴(kuò)展的阻力，進(jìn)而縮短裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)間，最終導(dǎo)致鉆桿發(fā)生早期疲勞斷裂。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果還可知，在鉆桿接頭管體內(nèi)外壁存在0.1～0.2 mm的脫碳層，使得42CrMo鋼的疲勞強(qiáng)度降低[7-8]，從而導(dǎo)致鉆桿接頭在使用過(guò)程中過(guò)早地發(fā)生疲勞斷裂。

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中分析

采用MSC Marc有限元軟件，對(duì)斷裂鉆桿接頭的偏梯形螺紋進(jìn)行應(yīng)力模擬分析[9-11]，得出在一定扭矩作用下的接頭截面應(yīng)力分布，如圖7所示。可見(jiàn)第一對(duì)嚙合牙(離臺(tái)肩面最近的一對(duì)螺紋牙)承受載荷最大，第二對(duì)次之，第三、四對(duì)依次減小。鉆桿公扣嚙合的第一、二對(duì)螺紋牙處易引起應(yīng)力集中，為螺紋受力的薄弱環(huán)節(jié)，在鉆桿服役過(guò)程中受扭轉(zhuǎn)與彎曲等動(dòng)載荷的作用，此處易引發(fā)鉆桿接頭早期斷裂失效。

圖7 鉆桿接頭截面應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution diagram of the drill pipe joint section

3 結(jié)論及建議

該42CrMo鋼三棱螺旋鉆桿熱處理時(shí)因回火溫度過(guò)低，使其硬度偏高，造成沖擊吸收能量偏低,韌性較差，在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變載荷作用下，于螺紋牙底的應(yīng)力集中處發(fā)生早期疲勞斷裂。

建議適當(dāng)提高調(diào)質(zhì)處理的回火溫度，以提高鉆桿接頭的沖擊吸收能量，從而提高鉆桿的整體抗疲勞性能。