穩(wěn)定器耐磨帶脫落及裂紋原因分析

黃智斌，夏志偉

（蘇州華碧微科檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215024）

穩(wěn)定器作為鉆柱構(gòu)件的重要組成部分，在石油、天然氣勘探作業(yè)過程中起著穩(wěn)定扶正的作用，穩(wěn)定器的主要工作部分是螺旋棱，螺旋棱上常鑲嵌一定數(shù)量的硬質(zhì)合金塊來增加表面的耐磨性，增加硬質(zhì)合金塊在螺旋棱上的面積比例，會增加螺旋棱整體的抗磨損能力[1]。

此穩(wěn)定器為螺旋穩(wěn)定器，結(jié)果見圖1，加工工藝為：鉆深孔～車出外型～銑水槽～焊接耐磨帶（噴焊，填料為金屬粉末，距表面1mm時更換硬度高的金屬粉末）～焊接完畢保溫緩冷（溫度320℃）～磨床加工至規(guī)定尺寸～車螺紋。其原料質(zhì)量要求為API Spec7-1無磁材料要求。

圖1 螺旋穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

1 試驗材料與方法

已失效的無磁穩(wěn)定器耐磨帶宏觀形貌如圖2所示。穩(wěn)定器耐磨帶脫落位置位于穩(wěn)定器扶正段的下端即導(dǎo)入端，裂紋位置位于穩(wěn)定器扶正段的下端過度棱處。采用全超聲波探傷儀對穩(wěn)定器進行無損探傷，采用全譜直讀光譜儀對穩(wěn)定器化學(xué)成分進行分析，采用光學(xué)顯微鏡對穩(wěn)定器進行顯微組織檢驗，采用萬能材料試驗機、擺錘沖擊試驗機、數(shù)顯布氏硬度計及數(shù)顯維氏硬度計對穩(wěn)定器本體材料進行力學(xué)性能檢驗及對耐磨帶硬度進行檢驗。

圖2 耐磨帶脫落照片

2 試驗結(jié)果

2.1 超聲波探傷

對無磁穩(wěn)定器基體進行超聲波探傷，結(jié)果見表1。穩(wěn)定器本體材料未見隱蔽性缺陷。

表1 超聲波探傷結(jié)果

2.2 化學(xué)成分分析

對無磁穩(wěn)定器基體材料的化學(xué)成分進行檢測，結(jié)果見表2。由表1可知，無磁穩(wěn)定器成分為不銹鋼材質(zhì)。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)%）

2.3 顯微組織檢驗

對穩(wěn)定器基體、耐磨帶及過度棱裂紋處進行顯微組織檢查，如圖3所示，穩(wěn)定器基體組織為均勻的奧氏體組織；如圖4所示，耐磨帶噴焊層內(nèi)部亦彌散分布著大小不一的氣孔，如圖5所示，未脫落的硬質(zhì)合金塊亦存在裂紋，如圖6所示，裂紋處表面噴焊層被磨損，裂紋從表面擴散向內(nèi)部擴展。

圖3 基體顯微組織

圖6 表面裂紋照片

2.4 力學(xué)性能檢測

對穩(wěn)定器基體材料進行力學(xué)性能檢測，結(jié)果由表3所示。由表3可知，穩(wěn)定器基體材料性能滿足API Spec7-1中無磁材料的要求。

表3 基體力學(xué)性能測定結(jié)果

2.5 晶間腐蝕檢測

依據(jù)ASTM A262-2015方法E對穩(wěn)定器進行晶間腐蝕測試，測試后20X顯微鏡觀察彎曲試樣外表面無裂紋，符合API Spec7-1中無磁材料的要求。

3 分析與討論

穩(wěn)定器作為鉆柱構(gòu)件之一，其服役條件與受力情況、地層巖石的性質(zhì)、腐蝕介質(zhì)等均影響其壽命。穩(wěn)定器實現(xiàn)穩(wěn)定扶正功能過程中必然要與井壁的巖（砂）石發(fā)生強烈摩擦和碰撞，穩(wěn)定器下端即導(dǎo)入端承受的磨損及碰撞較上端劇烈。硬質(zhì)合金塊凸出基體表面，地層中存在的硬度較高的巖（砂）石，有的砂巖中石英的含量高達80%～85%，石英砂硬度很高，可達HV900～1280[2]，在鉆井過程中會對扶正器表面造成磨損以及局部的沖擊。硬質(zhì)合金塊硬度高、韌性低，在局部沖擊作用下部分硬質(zhì)合金塊碎裂，破壞了整體耐磨帶的穩(wěn)定性。噴焊層的氣孔會降低噴焊層的結(jié)合強度，亦降低了噴焊層對硬質(zhì)合金塊的支撐和保護作用，在沖擊作用下，由于結(jié)合強度不夠，出現(xiàn)耐磨帶及耐磨塊脫落的現(xiàn)象。

4 結(jié)語及建議

（1）穩(wěn)定器棱角處裂紋為穩(wěn)定器在工作過程中，受扭轉(zhuǎn)、縱向震動、摩擦、沖擊應(yīng)力的作用，在磨損處應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。

（2）穩(wěn)定器耐磨帶、耐磨塊脫落原因為噴焊層存在彌散的氣孔，降低了界面間的結(jié)合強度，在與硬度較高的巖（砂）石發(fā)生局部沖擊及摩擦過程中，發(fā)生松動脫落。

（3）建議在螺旋棱焊接過程中，選擇合適的焊接方法、工藝參數(shù)，以確保穩(wěn)定器的可靠性。