鉆桿焊區(qū)斷裂原因分析及解決方案

支鵬鵬，馬韋華，張 偉

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿是兩端帶有螺紋、內(nèi)部中空的合金鋼管，在鉆井生產(chǎn)中負(fù)責(zé)運(yùn)送泥漿到鉆頭，并帶出鉆井過程中粉碎的巖石、雜物等。鉆桿常處于高溫、高壓、高腐蝕的工作環(huán)境，因此要求鉆桿具有很高的強(qiáng)度和韌性。

鉆桿是由接頭和管體通過摩擦旋轉(zhuǎn)壓接在一起的，在工藝方面對(duì)鉆桿的焊區(qū)（焊縫的熱影響區(qū)）有著特殊的要求，需要對(duì)焊區(qū)進(jìn)行拉伸、沖擊、橫向彎曲試驗(yàn)等：拉伸試驗(yàn)可以直觀反映出焊縫強(qiáng)度，沖擊試驗(yàn)體現(xiàn)焊縫韌性，而彎曲試驗(yàn)則可以體現(xiàn)出接頭與管體兩種材料經(jīng)過摩擦焊接后的融合性。

1 焊區(qū)機(jī)械性能試驗(yàn)異常

渤海能克鉆桿有限公司生產(chǎn)的材料為S135 鋼級(jí)、外徑為127 mm 的鉆桿，其焊縫做橫向側(cè)彎試驗(yàn)時(shí)，其中1 組試樣突然發(fā)生斷裂。進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)焊線部位緩慢施加的垂直壓力，同時(shí)對(duì)試樣兩側(cè)施加水平推力，當(dāng)試塊彎曲至180°時(shí)試驗(yàn)完成（圖1）。

圖1 彎曲試樣

根據(jù)API 5DP—2020《鉆桿產(chǎn)品規(guī)范》的要求，彎曲試驗(yàn)中試樣彎曲達(dá)到180°后，焊區(qū)內(nèi)不應(yīng)有超過1 mm 的裂紋，而本次實(shí)驗(yàn)中試樣卻發(fā)生了斷裂，如此明顯的試樣斷裂極不正常（圖2）。該批所有焊縫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，對(duì)比后可以看出第4 組試樣沖擊值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求（-20 ℃，≥65 J）。而對(duì)該焊縫進(jìn)行的2 組復(fù)取試驗(yàn)結(jié)果顯示沖擊試驗(yàn)和橫向彎曲試驗(yàn)合格，說明該批次焊縫存在部分區(qū)域焊接不充分的現(xiàn)象，即接頭材料與管體材料經(jīng)過摩擦壓接后內(nèi)部沒有完全熔焊在一起。

圖2 斷裂后彎曲試樣

表1 焊縫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 斷裂原因分析

2.1 淬火裂紋分析

生產(chǎn)過程中，鉆桿焊接完后需要對(duì)焊區(qū)進(jìn)行高溫淬火和回火，以降低焊縫的硬度、提高韌性。引起淬火裂紋的原因有很多，如淬火溫度過高、保溫時(shí)間過長，淬火冷卻方式不合理，沒有及時(shí)進(jìn)行回火等。鉆桿壓接和焊后熱處理工藝是成熟工藝，生產(chǎn)過程中也嚴(yán)格執(zhí)行了工藝要求，查閱熱處理相關(guān)參數(shù)及溫度曲線后，并未發(fā)現(xiàn)參數(shù)錯(cuò)誤或溫度異常波動(dòng)等現(xiàn)象。同時(shí)，摩擦壓接及熱處理后的鉆桿焊接區(qū)域還要經(jīng)過100%的超聲波無損探傷檢測，如果存在淬火裂紋則超聲波檢測時(shí)會(huì)有傷波體現(xiàn)，對(duì)超聲波檢測儀的波形記錄進(jìn)行追溯后仍未發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，試樣斷裂不是淬火裂紋引起的，而是焊接后材料本身存在問題。初步懷疑試樣內(nèi)部焊縫處存在夾雜物，但是由于形狀、位置等諸多原因，在超聲波檢測中很難發(fā)現(xiàn)夾雜物進(jìn)而造成漏檢。

2.2 焊區(qū)夾雜物分析

由于初步懷疑焊縫材料出現(xiàn)問題，所以需要對(duì)焊縫取樣進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)（圖3）。

圖3 金相試塊

金相試驗(yàn)通過顯微鏡對(duì)焊縫及其附近的金屬組織進(jìn)行觀察，正常的焊縫組織應(yīng)該是均勻的的回火索氏體，晶粒度細(xì)小，能達(dá)到8 級(jí)以上。對(duì)試樣的斷面進(jìn)行金相試驗(yàn)，在顯微鏡下觀察，可以看出組織存在不正常的黑色點(diǎn)狀?yuàn)A雜物，該黑色點(diǎn)狀物還伴有不易為超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的微小裂紋（圖4）。

圖4 金相分析

利用光譜儀對(duì)其中兩處元素進(jìn)行分析，顯示測試點(diǎn)包含C、O、Te 元素，因此確定氧化雜質(zhì)是試樣斷裂的原因：①這些氧化物雜質(zhì)會(huì)使鉆桿焊縫處的母材融合不充分；②在經(jīng)過焊區(qū)熱處理時(shí)，這些雜質(zhì)再加上熱脹冷縮因素，使焊區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的可能性增加，從而會(huì)破壞焊區(qū)的機(jī)械性能，導(dǎo)致焊區(qū)的沖擊韌性下降、焊縫融合不充分，最終造成彎曲試驗(yàn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。

3 解決方案

經(jīng)調(diào)查分析，夾雜物是在焊接前就存在，焊接過程中融合到焊縫中的。管體在焊接前需要對(duì)焊接端面進(jìn)行車削，不存在夾雜物，只有成品接頭在焊接前未打磨端面，而且接頭還經(jīng)過了磷化處理，導(dǎo)致接頭摩擦壓接面殘留有氧化皮和磷化層。根據(jù)摩擦壓接的工藝評(píng)要求，壓接流量為18～22 mm（圖5）。

圖5 摩擦壓接曲線

從圖5 中可以看出，實(shí)驗(yàn)焊縫的壓接流量已經(jīng)達(dá)到22 mm的上限值，仍沒有將全部雜質(zhì)在壓接過程中擠出，導(dǎo)致其混入焊縫，影響了焊縫性能。因此決定在摩擦壓接前對(duì)部分接頭端面進(jìn)行機(jī)加工，車削掉接頭摩擦壓接面的雜質(zhì)與磷化層，使其完全露出金屬底色后再進(jìn)行壓接。壓接熱處理后對(duì)焊縫取樣進(jìn)行試驗(yàn)，與未進(jìn)行端面車削的焊縫進(jìn)行對(duì)比（圖6）。

圖6 壓接端面的焊縫沖擊值對(duì)比

從對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，清理接頭端面再進(jìn)行壓接后的焊縫，其沖擊功得到提升，提高了焊縫韌性。彎曲試驗(yàn)也表明，焊縫壓彎角度達(dá)到180°且未發(fā)生斷裂（圖7）。

圖7 清理壓接端面的焊縫彎曲試樣

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)分析摩擦壓接前端面雜質(zhì)混入焊縫，雖然對(duì)焊縫的強(qiáng)度影響不大，但會(huì)大大降低焊縫韌性，是鉆桿焊縫斷裂的主要原因。通過壓接前端面清理可以很好地提高焊縫性能，避免斷裂事故的發(fā)生。