冷滾壓壓力對鉆具螺紋疲勞壽命影響試驗研究

(1.川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065)

2015年以來，川渝地區鉆具失效事故頻發，因其地層、工況等因素復雜多變，加之前期相關研究基礎較為薄弱，導致該地區鉆具失效問題突出，不僅嚴重影響鉆井施工的正常進行，而且造成了較大的經濟損失。鉆具失效案例統計發現，78%刺漏及斷裂都發生于距離螺紋端面3～4扣的應力集中處[1-3]。因此，改善螺紋應力集中，提高鉆具材料的抗疲勞性能是解決川渝地區鉆具失效問題的重要途徑之一。

國內外學者通過研究鉆具失效機理[4-14]，發現通過表面強化處理能夠改善螺紋的應力集中，從而顯著提高其抗疲勞性能[15-17]。冷滾壓工藝作為一種改善螺紋應力集中的螺紋表面強化處理方法已經被學者證明可行[18]，并且各滾壓參數的確定都需要經過嚴密的計算及試驗驗證[19]。通常，新鉆具在投入使用前都需要通過冷滾壓工藝來提高其抗疲勞性能。但是，鉆具使用一段時間后，其被送往鉆具站進行切扣并重新車削螺紋時，由于現場工作量大、人員較少、設備不齊全，一般不進行冷滾壓工藝處理，由此可能導致鉆具疲勞壽命降低，造成鉆具失效事故。鑒于此，本文在川渝地區鉆井現場選取了鉆桿、普通鉆鋌、無磁鉆鋌3種典型鉆具，依據疲勞試樣尺寸要求，加工成光棒試樣，開展了不同冷滾壓力對鉆具疲勞壽命影響的試驗研究。

1 試驗樣品制備

試驗樣品材料選取自川渝地區鉆井現場，包括127 mm(5 英寸) S135型鉆桿接頭(材料編號1#)、165.1 mm(6英寸)普通鉆鋌(材料編號2#)、165.1 mm(6英寸)無磁鉆鋌(材料編號3#)。在試驗前分別測試了試驗樣品材料的力學性能，測試結果如表1所示，均符合API Spec 7-1對鉆具材料的要求。

表1 試驗樣品材料的力學性能

根據疲勞試驗對試樣尺寸要求，在選擇的鉆具上切取材料，將其加工為?12.04 mm×80 mm的光棒，并在無心磨床上對光棒表面進行磨屑加工。然后，進行滲透探傷，結果如圖1所示，均無裂紋。

圖1 用鉆具材料加工的光棒

本文所選鉆具的螺紋型號均為NC50。因此，根據API Spec 7-1對NC50型螺紋尺寸要求，在光棒中部開槽(模擬螺紋扣)，螺紋牙底圓弧半徑0.965 mm±0.05 mm，無錐度，深度為2 mm±0.02 mm。加工好的試樣如圖2所示。

圖2 試樣形狀和尺寸示意

每種材料分別加工13件試樣，并編號。利用手動泵液壓設備(最高壓力為25 MPa，高壓排量為0.3 mL/次，滾輪直徑為50.8 mm)，通過滾輪對每個試樣的凹槽施加壓力，進行冷滾壓工藝處理。13個試樣的滾輪壓力分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa。

2 疲勞試驗方法

采用PQ-6型旋轉彎曲疲勞試驗機(如圖3)對鉆具試樣進行疲勞壽命試驗。

1—右支架；2—按鈕開關；3—機身；4—計數器；5—電動機；6—連軸節；7—支座；8—連接軸；9—支承；10—球軸承；11—軸座；12—卡箍；13—試樣；14—連接桿；15—扭軸；16—吊桿；17—導板；18—保護罩；19—彈簧；20—左支架；21—停車按鈕；22—手輪；23—螺桿；24—拉桿；25—砝碼；26—托盤；27—磁力啟動器。

試驗前，依據不同鉆具材料試樣的力學性能，參考機械手冊第6卷，考慮理論應力集中系數，計算其施加的彎曲應力，結果如表2所示。根據表2的數據，在試驗機上懸掛相應的砝碼，施加彎曲應力，測試鉆具試樣在交變彎曲應力下的疲勞極限壽命(斷裂時循環次數)。

表2 試驗材料最終施加的彎曲應力

試驗步驟：

1) 將試樣夾持在卡箍上。

2) 水平儀找平，其偏差不大于0.2/1 000，確保試樣的工作部分全長上受到均勻的純彎曲力矩的作用。

3) 旋轉疲勞試驗的彎曲載荷由試驗機懸掛的砝碼施加。在理論上，園棒形材料的斷裂循環次數與施加的載荷存在如式(1)的關系。因此，依據式(1)計算結果配置相應的砝碼。

(1)

式中：Q為砝碼與拉桿的質量之和，g；d為試樣直徑，mm；σ為材料的彎曲應力，MPa；N為在此載荷下斷裂時的循環次數。

4) 開動電動機，使試樣隨主軸一起轉動，同時計數器開始計數。

5) 試樣經過多次反復循環后，疲勞失效斷裂(過程如圖4所示)，主軸結合部右半部壓在停止轉動按鈕上，使電動機停止，計數器計數停止，試驗結束。

3 疲勞試驗結果

3.1 鉆桿接頭試樣

鉆桿接頭試樣的旋轉彎曲疲勞試驗結果如表3和圖5所示。根據疲勞試驗結果可知，鉆桿接頭試樣經過冷滾壓后平均疲勞壽命可達90 858次循環，并且冷滾壓力為2 MPa時的疲勞壽命最長，可達358 200次循環，是未冷滾壓試樣(滾輪壓力0 MPa)壽命的14.44倍。

圖4 試樣的疲勞試驗

表3 鉆桿接頭試樣疲勞試驗數據

圖5 鉆桿接頭試樣疲勞壽命與滾輪壓力關系曲線

3.2 普通鉆鋌試樣

普通鉆鋌試樣的旋轉彎曲疲勞試驗結果如表4和圖6所示。根據疲勞試驗結果可知，普通鉆鋌試樣經過冷滾壓后平均疲勞壽命可達590 500次，并且冷滾壓力為5 MPa時的疲勞壽命最長，可達3 302 500次，是未冷滾壓試樣(滾輪壓力0 MPa)平均壽命的170.23倍。

表4 普通鉆鋌試樣疲勞試驗數據

圖6 普通鉆鋌試樣疲勞壽命與滾輪壓力關系曲線

3.3 無磁鉆鋌試樣

無磁鉆鋌試樣的旋轉彎曲疲勞試驗結果如表5和圖7所示。根據疲勞試驗結果可知，無磁鉆鋌試樣經過冷滾壓后平均疲勞壽命可達251 123次，并且冷滾壓力為4.5 MPa時的疲勞壽命最長，可達1 304 000次，是未冷滾壓試樣平均壽命的7.83倍。

圖7 無磁鉆鋌試樣疲勞壽命與滾輪壓力關系曲線

4 分析試驗結果

疲勞試驗結果表明，冷滾壓工藝能夠顯著提高鉆具螺紋的疲勞壽命。該工藝具有3個方面作用。

1) 提高零件表面平整性。

現場車削螺紋時，根部往往形成較尖銳的槽角，易引起較大的應力集中，特別是各種高強度鋼對于應力集中更為敏感，通過冷滾壓工藝可以使晶粒細化并重新排列[19]，金屬纖維產生均勻變形，位錯密度增高，螺紋表面不平的狀態得到較大改善，原來的尖銳槽角變為圓滑的弧形槽，有效降低了應力集中，緩解了疲勞斑紋和溝槽的形成[20]，抑制螺紋根部裂紋萌生和擴展[22]。

2) 在工件表面預制殘余壓應力。

冷滾壓力會使材料發生塑性變形，并在表層產生平行于材料表面的拉應力。但是，由于加工硬化和內部未變形金屬的約束，導致其力學表現為材料表面獲得較高的殘余應力[19]。當疲勞構件工作時，形成的殘余應力使最容易形成疲勞裂紋的螺紋根部產生的拉應力抵消或者減少，從而改善螺紋抗疲勞性能，使螺紋根部發生斷裂的幾率大幅降低[22]。

3) 合適的冷滾壓力可使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生。

有學者[23-24]通過理論和試驗驗證了細微先屈服區的存在，對于表面非強化材料，疲勞裂紋萌生于表面，由此導致斷裂紋的臨界應力稱為表面疲勞極限。對于經過表面強化材料，疲勞裂紋萌生于次表面，由此導致斷裂的臨界應力為內部疲勞極限。因此，只要采取合適的表面強化工藝，便可使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生，由此獲得更高的疲勞強度。

對疲勞構件的應力集中區進行冷滾壓工藝預制殘余應力，會顯著提高構件的抗疲勞性能，這一點已經得到證實。但是，預制的殘余壓力不是越大越好。本文鉆具試樣的疲勞試驗結果表明，冷滾壓力存在最優值。有學者研究表明[19]，當預制的殘余應力過小時，無法抵消或減少疲勞構件在使用過程中由于應力集中所產生的拉應力，致使疲勞構件的疲勞壽命無顯著增加；當預制的殘余應力過大時，能量會造成較大的拉應力和切應力，導致強化區表面產生褶皺和破裂性缺陷，這些缺陷的存在會導致材料表面鈍化膜破裂或應力分布不均勻，材料抗疲勞性能降低。因此，建議在鉆具使用一段時間后，將其送回鉆具站，切扣并重新車削螺紋。對新車的螺紋使用冷滾壓工藝做表面強化處理。應根據不同鉆具材料計算其最佳的滾輪壓力，確保最大程度提高鉆具疲勞壽命。

5 結論

1) 相比未冷滾壓試樣，冷滾壓后的鉆桿平均壽命最高提高了14.44倍；普通鉆鋌試樣的平均壽命最高提高了170.23倍；無磁鉆鋌試樣的平均壽命最高提高了7.83倍。

2) 冷滾壓工藝能夠改善材料的表面平整性，預設殘余應力，使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生。這3個方面的共同作用，從而提高鉆具螺紋的疲勞強度。

3) 對于切扣后新車的鉆具螺紋，建議使用冷滾壓工藝做表面強化處理。根據不同鉆具材料計算其適宜的滾輪壓力，使鉆具螺紋的疲勞壽命得到顯著提高。