S135 鉆桿管體到加厚過渡段區(qū)域失效分析

趙金蘭， 王 燾， 王玉成， 王亞廣，李京川， 仝 柯， 瞿婷婷

（1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077；2. 中油管道物資裝備有限公司， 河北 廊坊065000）

1 概 況

對某井鉆桿進(jìn)行超聲波探傷時， 發(fā)現(xiàn)9 根Φ139.7 mm （51/2in） 斜坡鉆桿加厚區(qū)有異常反射信號， 立即將該9 根鉆桿進(jìn)行初步驗(yàn)證， 結(jié)果顯示9 根鉆桿距內(nèi)螺紋臺階面或外螺紋臺階面600～720 mm 處出現(xiàn)不同程度的內(nèi)裂紋或者內(nèi)腐蝕。

鉆具規(guī)格為S135 鋼級Φ139.7 mm×9.17 mm，累計使用時間1 380 h， 進(jìn)尺2 395 m， 鉆進(jìn)過程中蹩跳嚴(yán)重， 扭矩10.6 kN·m， 符合作業(yè)要求。

2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1 宏觀分析

本研究針對1#鉆桿進(jìn)行分析。 1#鉆桿管體形貌如圖1 所示， 由圖1 可以看出， 鉆桿內(nèi)表面存在大量腐蝕坑， 腐蝕嚴(yán)重， 內(nèi)表面覆蓋一層較厚的腐蝕產(chǎn)物。

從1#鉆桿管體取樣 （1#試樣和2#試樣），如圖2 所示， 兩個試樣均處于管體到加厚過渡段區(qū)域 （Miu-R 處）， 1#試樣距離母接頭端面710 mm， 由內(nèi)表面至外表面壁厚方向存在1 處裂紋， 其低倍照片如圖2 （c） 所示。 2#試樣距離公接頭端面740 mm， 由內(nèi)表面至外表面壁厚方向存在2 處裂紋， 一處較長， 一處較短， 其低倍照片如圖2 （d） 所示。

圖1 1#鉆桿管體形貌

宏觀觀察可見管體內(nèi)表面上存在多處深度及直徑不等的腐蝕凹坑， 鉆桿管體上的裂紋起源于管體內(nèi)表面， 沿周向及徑向擴(kuò)展， 且存在多源性。

圖2 試樣腐蝕坑形貌及壁厚方向裂紋形貌

2.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)ASTM A751-14a 標(biāo)準(zhǔn)， 采用ARL 4460直讀光譜儀對鉆桿管體進(jìn)行化學(xué)成分分析， 送檢鉆桿的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。 分析結(jié)果表明， 失效鉆桿的化學(xué)成分符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

從鉆桿管體位置分別沿縱向取拉伸試樣和沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)， 拉伸試樣的規(guī)格是寬25.4 mm、 標(biāo)距長50 mm 的板狀試樣， 沖擊試樣的規(guī)格為7.5 mm×10 mm×55 mm 夏比V 形缺口沖擊試樣。 按照ASTM A370-19ε1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行縱向拉伸及沖擊試驗(yàn)， 拉伸試驗(yàn)為常溫拉伸， 沖擊試驗(yàn)為室溫， 試驗(yàn)結(jié)果見表2。 由表2 可以看出，送檢失效鉆桿的力學(xué)性能符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析

從1#和2#塊狀試樣上分別制取金相試樣，依據(jù)ASTM E3-11 （2017）、 ASTM E45-18a 及ASTM E112-13 標(biāo)準(zhǔn)， 采用激光共聚焦金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對送檢鉆桿的顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進(jìn)行觀察、 分析， 1#和2#試樣腐蝕坑組織及形貌如圖3 和圖4 所示。

金相試樣分析結(jié)果表明， 在鉆桿內(nèi)壁內(nèi)表面可見明顯腐蝕坑， 腐蝕坑中腐蝕產(chǎn)物呈龜裂狀或塊狀， 最深坑處距表面0.86 mm， 且內(nèi)表面腐蝕坑底已萌生裂紋， 圖3 （d）、 圖4 （c）中能明顯看出裂紋萌生于腐蝕凹坑的底部； 裂紋最長長度為6.32 mm， 裂紋沿壁厚方向擴(kuò)展， 裂紋尖端可見明顯沿晶形貌。 坑內(nèi)局部及裂紋內(nèi)可見灰色雜質(zhì)， 周圍組織為回火索氏體組織。

圖3 1#試樣腐蝕坑組織及形貌

圖4 2#試樣腐蝕坑組織及形貌

2.5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

采用TESCAN VEGA II 掃描電子顯微鏡及其附帶的XFORD INCA350 能譜分析儀， 對1#、2#試樣腐蝕坑、 裂紋內(nèi)灰色雜質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行能譜分析， 其主要成分為Fe、 C、 O、 Si、 S、 Cr、 Al及K， 如圖5、 圖6 所示。

圖5 1#試樣腐蝕坑及裂紋能譜分析結(jié)果

圖6 2#試樣腐蝕坑及裂紋能譜分析結(jié)果

圖7 2#試樣長裂紋內(nèi)部形貌

將2#試樣長裂紋延裂紋延伸方向劈開， 觀察其裂紋內(nèi)部腐蝕形貌， 如圖7 所示， 并對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析， 其主要成分為Fe、 C、 O、Si、 S、 Cr、 Al、 K 及Ba， 如圖8 所示。

圖8 2#試樣長裂紋內(nèi)部能譜分析結(jié)果

2.6 腐蝕產(chǎn)物的XRD 分析

對腐蝕坑中灰色雜質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行XRD 檢測分析， 物相分析結(jié)果見表3。

由XRD 分析結(jié)果， 并結(jié)合該鉆桿服役環(huán)境屬于磺化井可知， 腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、 C 和Fe2（SO4）2O·7H2O 等組成。

表3 腐蝕坑中灰色雜質(zhì)XRD 分析結(jié)果

3 分析與討論

失效鉆桿的化學(xué)成分分析結(jié)果和力學(xué)性能結(jié)果符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求， 材料的夏比沖擊吸收能平均值為106 J。

送檢鉆桿1#試樣位于距離母接頭端面710 mm的位置。 2#試樣位于距離公接頭端面740 mm處。 兩個試樣均處于鉆桿管體內(nèi)加厚過渡區(qū)，是剛度大的大壁厚鉆桿接頭與剛度小的小壁厚管體的剛度變化點(diǎn)， 也是整個鉆桿結(jié)構(gòu)上的薄弱位置。

在鉆桿內(nèi)表面存在大量的腐蝕坑， 并在坑底產(chǎn)生裂紋。 坑內(nèi)局部及裂紋中均可見灰色夾雜物。 腐蝕坑周圍的金相組織與基體組織相同， 為回火索氏體組織， 晶粒度為9.0 級。

由失效鉆桿樣品的內(nèi)表面腐蝕坑及裂紋內(nèi)灰色夾雜物能譜分析可知， 其主要成分為Fe、 C、O、 Si、 S、 Cr、 Al 及K， 進(jìn)一步進(jìn)行XRD 腐蝕產(chǎn) 物 分 析， 腐 蝕 產(chǎn) 物 為Fe、 C、 Fe2（SO4）2O·7H2O。 腐蝕產(chǎn)物中含有S， 說明鉆桿使用介質(zhì)中含有S。

鉆桿在井下工作過程中主要承受拉伸、 彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷， 而一般的井都不是理想的直井， 都有斜井。 當(dāng)鉆桿在井下旋轉(zhuǎn)時， 表面反復(fù)承受拉壓載荷。 同一腐蝕環(huán)境下， 承受高應(yīng)力的鉆桿比承受低應(yīng)力的鉆桿腐蝕速率快， 從而形成腐蝕凹坑， 在交變應(yīng)力作用下， 腐蝕坑底部萌生裂紋， 并加速擴(kuò)展。

在此井施工中， 1#試樣、 2#試樣內(nèi)表面均已產(chǎn)生大量腐蝕坑， 腐蝕坑底的應(yīng)力集中已經(jīng)促使了裂紋的萌生和擴(kuò)展， 裂紋的形成又促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生， 兩者相互作用， 加速了裂紋的擴(kuò)展。其中1#試樣裂紋長度為4.76 mm， 2#試樣有2 處裂紋， 長度分別為6.32 mm 和1.22 mm， 裂紋長度沿周向及徑向方向擴(kuò)展。

綜合以上分析， 在氧的作用及磺化井工況下， 使得鉆桿內(nèi)加厚過渡帶內(nèi)表面處腐蝕集中和應(yīng)力集中部位產(chǎn)生腐蝕坑， 在交變載荷作用下，腐蝕坑底的應(yīng)力集中對裂紋的萌生和擴(kuò)展起到直接作用， 同時裂紋快速擴(kuò)展。 這是本次鉆桿腐蝕疲勞失效的根本原因。

4 結(jié)論及建議

（1） 送檢鉆桿試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合API SPEC 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 該批鉆桿內(nèi)加厚過渡帶裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)楦g疲勞。

（3） 建議加強(qiáng)對同批鉆桿的無損探傷檢驗(yàn)，避免帶腐蝕疲勞裂紋的鉆桿下井使用。

（4） 建議使用內(nèi)涂層鉆桿。