?101.6mm 鉆桿外螺紋接頭斷裂失效分析

張德旺 王顯林 王青林（渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 滄州 062658）

?101.6mm 鉆桿外螺紋接頭斷裂失效分析

張德旺 王顯林 王青林（渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 滄州 062658）

通過斷口宏觀分析、金相組織及能譜分析和力學性能測試，并結合鉆桿失效前的鉆井情況，對一例?101.6mm鉆桿外螺紋接頭斷裂失效原因進行分析。結果表明：在鉆桿接頭材質符合API Spec 5DP和SY/T 5561-2014標準要求的前提下，由于鉆桿公接頭斜坡臺肩周圍發(fā)生巖屑大量堆積導致鉆桿斷裂失效。外螺紋接頭與堆積巖屑發(fā)生劇烈摩擦，導致摩擦部位溫度大幅度上升，材料承載性能降低，在扭轉、拉伸復合載荷的作用下發(fā)生接頭斷裂失效。

鉆桿；外螺紋接頭；失效分析；摩擦作用

某鉆井公司鉆井作業(yè)時使用的1根?101.6mm鉆桿發(fā)生罕見的外螺紋接頭斷裂失效，受使用方委托，對該鉆桿斷裂失效原因進行了分析。

1 宏觀分析

失效鉆桿樣品為?101.6mm鉆桿斷裂試樣，共2件，經測量，接頭密封臺肩面與斷裂位置之間的距離約為265mm，接頭密封臺肩面距斜坡部位的距離約為212mm，如圖1所示。經測量對比，鉆桿接頭螺紋部位并未發(fā)生明顯塑性變形，失效部位縮頸現象明顯。斷口兩側和表面均呈白亮色，摩擦痕跡十分明顯，接近失效的斜坡臺肩處摩擦損耗尤為嚴重，并且有黏連物附著在表面，在靠近縮頸失效部位的外表面上存在著清晰的沖蝕痕跡。

2 理化檢測

2.1 金相組織及能譜分析

從失效接頭樣品上取樣并通過酸蝕后觀察發(fā)現，試樣斷口兩側對稱地分布著兩條明顯的材料熱影響區(qū)分界線。由分析結果可見，在接頭斷口附近區(qū)域材料的金相組織中發(fā)現大量的馬氏體組織和一定量的回火索氏體和貝氏體組織，隨著距離斷口位置越遠，金相組織中的馬氏體含量有所降低，回火索氏體組織含量則相對增加[1]。（見表1所示）

金相分析表明，接頭斜坡臺肩表面的附著物與本體材料緊密地粘連在一起，如圖3所示，黑色附著物內存在一定數量的白色顆粒，尤其是在接近本體的部位，少量白色顆粒已經與接頭基體連接在一塊。能譜分析表明，黑色附著物的主要成分O和Si，并含有少量Na、Al及Ca等，附著物中白色顆粒部分的主要成分則是Fe，與接頭本體材料化學成分相當。根據分析結果可以判斷，黑色附著物主要是硅酸鹽和二氧化硅等，附著物內部的白色顆粒是從鉆桿接頭本體材料上剝落的金屬材料。

2.2 力學性能試驗

從失效鉆桿接頭上取圓棒進行拉伸試驗、縱向夏比V型缺口沖擊試驗和硬度試驗[2]，試驗結果見表2所示。

3 綜合分析

尺寸測量表明，斷口部位發(fā)生了明顯的縮頸現象，斷口及兩側的外表面部位有嚴重的摩擦損傷，接近失效的斜坡臺肩處摩擦損耗尤為嚴重，并且局部附著有黏著物，微觀分析表明，黏著物緊密地附著在鉆桿接頭基體上，黏著物主要為二氧化硅和硅酸鹽，并且黏著物中包裹著許多鉆桿接頭基體顆粒。

綜合失效鉆桿斷口附近的幾何尺寸、宏觀形貌、金相組織、微觀分析及服役工況條件推斷，在鉆井施工過程中，失效鉆桿公接頭斜坡臺肩附近發(fā)生了嚴重的巖屑堆積，將整個循環(huán)通道堵塞。鉆柱在旋轉的過程中，鉆桿公接頭斜坡臺肩處與巖屑之間發(fā)生劇烈的摩擦，摩擦熱的大量積累導致接頭斜坡臺肩處溫度迅速上升，組織發(fā)生相變，生成奧氏體，接頭本體材料強度大幅度降低，在扭轉、拉伸等復合載荷的作用下，高溫導致相變的部位發(fā)生屈服變形，發(fā)生縮頸現象，最終導致斷裂失效事故發(fā)生[3]。

4 結語

（1）失效鉆桿接頭材料的理化性能符合API Spec 5DP-2010和SY/T 5561-2008標準要求。

（2）鉆桿公接頭的斷裂失效是由于鉆桿接頭斜坡臺肩處發(fā)生嚴重的巖屑堆積，鉆桿公接頭斜坡臺肩處與巖屑之間發(fā)生劇烈的摩擦，摩擦熱的大量積累導致接頭斜坡臺肩處溫度迅速上升，接頭本體材料強度大幅度降低，在扭轉、拉伸等復合載荷的作用下發(fā)生斷裂。

[1]李方坡，劉永剛，路彩虹，等.G105鉆桿管體刺穿失效分析[J].金屬熱處理，2010,35（11）：99-102.

[2]SY/T 5561-2014，摩擦焊接鉆桿[S].

[3]鐘群鵬.材料失效診斷、預測和預防[M].長沙：中南大學出版社，2009：3-111.

表1 金相分析結果

表2 鉆桿接頭力學性能