工程用35CrM　o鋼鉆桿螺紋斷裂失效分析

王洪禮，王　凌，劉立新

（新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院，烏魯木齊　830004）

工程用35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂失效分析

王洪禮，王凌，劉立新

（新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院，烏魯木齊830004）

【摘要】應用Q8火花直讀發射光譜儀、維氏硬度計、數顯洛氏硬度計和金相顯微鏡，對工程用35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂件的化學成分、維氏硬度、洛氏硬度、斷口宏觀形貌和微觀組織進行了分析。結果表明，斷裂鉆桿的化學成分符合標準要求；熱處理工藝不穩定，出現非正常組織為鉆桿斷裂失效的主要原因，研究為進一步優化鉆桿熱處理工藝提供了重要依據，具有重要的理論意義及工程應用價值。

【關鍵詞】35CrMo； 鉆桿； 斷裂； 失效分析

0　前言

在經濟飛速發展的今天，機械行業的發展也是日新月異，鉆桿在日常石油生產活動中扮演著越來越重要的角色。鉆桿螺紋連接部位與鉆桿本體相比，剛度較小，截面形狀復雜，容易出現應力集中現象，是鉆桿的薄弱部位容易引起斷裂失效。

新疆某油田公司使用材質35CrMo鋼的鉆桿，在生產過程中出現螺紋部位斷裂現象，為尋找鉆桿螺紋斷裂原因，本文對所提供的斷裂鉆桿件的化學成分、宏觀形貌、維氏硬度、洛氏硬度和顯微組織進行了分析測試，對鉆桿螺紋處斷裂原因進行了分析并提出了改進措施，研究為進一步優化鉆桿生產工藝，提高鉆桿使用壽命，減少鉆桿失效事故提供了重要依據。

1　分析方法及結果

1.1鉆桿化學成分分析

表1　斷裂鉆桿光譜分析結果（質量分數，%）Table1　Result of spectrum analysis of the fracture dril pipe（wt%）

斷裂鉆桿材質為35CrMo鋼，執行標準為GB/T3077-1999《合金結構鋼》。采用Q8火花直讀發射光譜儀對斷裂鉆桿的化學成分進行分析，測試結果見表1，與GB/T3077標準對照發現，斷裂鉆桿的化學成分的含量符合標準要求。

1.2斷口的宏觀形貌

圖1為現場截取斷裂鉆桿件試樣，通過肉眼觀察可以發現，斷裂鉆桿的螺紋部分有較嚴重的損傷，結構較粗糙，靠近螺紋根部的邊緣較為平坦，螺紋面有大量腐蝕坑，說明腐蝕對裂紋的產生具有一定促進作用，同時斷口宏觀形貌以韌窩為主，顯示韌性斷裂的特征。分析認為，這是鉆桿松動后，內外螺紋產生了相對運動，反復撞擊螺紋部分所致。

圖1　斷裂鉆桿斷口宏觀形貌Fig.1　Macro-morphology of the fracture drill Pipe

1.3硬度試驗

截取斷裂鉆桿螺紋處不同部位用HRS-150型數顯洛氏硬度計測量洛氏硬度，測試結果在27.8HRC～31.4HRC范圍內，圖紙要求硬度范圍為24.5～31.5HRC，表明鉆桿的硬度比較偏上限，同時硬度分散性較大，說明鉆桿生產工藝的—致性較差。用HVS-30型維氏硬度計對鉆桿螺紋處表面顯微硬度及心部顯微硬度進行測定，結果見表2。可以看出表面顯微硬度明顯高于心部顯微硬度30HV0.3，根據圖紙設計要求，表面顯微硬度不允許高出心部顯微硬度30HV0.3，這是由于斷裂鉆桿在生產過程中碳含量控制不嚴格含量過高，高的碳含量使鉆桿螺紋表面較硬脆，塑性明顯低于內部，在使用過程中降低鉆桿抗疲勞強度及冷熱疲勞抗力性能。

表2　顯微硬度結果Table2　The　result of micro-hardness

1.4金相組織

用線切割方法沿斷裂鉆桿螺紋的縱截面截取試樣，按照GB/T13298-1991的規定方法進行試驗，金相制樣后采用4%硝酸酒精溶液侵蝕后用XJG-05型金相顯微鏡分別在100倍和500倍觀察微觀顯微組織形貌，如圖2所示。

從圖2中可以看出，其顯微組織為回火索氏體+上貝氏體。通常，回火索氏體是鉆桿熱處理后的正常組織，上貝氏體會顯著影響鉆桿的機械性能，是不希望得到組織。貝氏體的產生是由于熱處理工藝不當造成的，依據鋼鐵材料熱處理過程中連續冷卻轉變C曲線，淬火冷卻過程中冷卻速度對組織的影響顯著，如果冷卻速度較慢，會使冷卻曲線碰到C曲線的鼻子，使材料發生上貝氏體轉變，導致材料性能下降。斷裂鉆桿件在熱處理過程中淬火溫度過高，引起晶粒粗大，同時淬火后冷卻速度太慢，組織中存在明顯的上貝氏體組織，導致鉆桿韌性變差，降低了材料的強韌性。

圖2（a）　斷裂鉆桿金相組織×100Fig.2（a） Microstructures of the f racture dril l pipe ×100

圖2（b）　斷裂鉆桿金相組織 ×500Fig.2（a） Microstructures of the fracture dril l pipe ×500

2　結論

1）鉆桿螺紋外表面發生嚴重的腐蝕，腐蝕對裂紋的產生有一定促進作用。

2）鉆桿淬火時溫度過高，冷卻速度過慢，組織中出現上貝氏體組織，使得晶粒間強度大大降低，脆性明顯增加，是造成鉆桿螺紋斷裂的主要原因。

3）鉆桿碳含量過高也是引起其斷裂原因之一。

3　改進措施

1）存放鉆桿位置盡量遠離井下酸性環境并定期清洗鉆桿。

2）適當調整熱處理工藝，降低淬火溫度，提高冷卻速度。確保螺栓的顯微組織得到強韌性好的回火索氏體。

3）減少鉆桿中碳含量。

【參考文獻】

［1］《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊（第四分冊）［M］。北京：機械工業出版社，1978

［2］趙海麗，陳琦峰，王繼良.35CrMo鋼螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2007.32（6）：114-1155

［3］高尚，徐勇，孫國雄等高強度螺栓斷裂分析［J］.理化檢驗-物理分冊2006.42（6）：306-308

［4］管朝暉，楊斌.工程用鉆桿螺紋斷裂失效研究［J］.機械設計與制造，2009，12：152-154

【作者簡介】

王洪禮（1982-），男，安徽太和人，碩士，主要從事金屬材料的檢驗工作。

Failure Analysis of the Fracture D rill Pipe thread of 35 CrMo Steel used in engineering

WANG Hong-li，Wang Ling，Liu Li-xin
（Product Quality Supervision And Inspection In Academ e O f Xin jiang Uygu r Autonom ous Reg ion，W u lum uqi 830004，China）

【Abstract】The chemical composition，Vickers hardness，Rockwel l hardness，microstructure and micrograph of fracture surface of a failed dril l pipe thread which was made of 35CrMo steel used in engineering was analyzed by Q8 spark emission spectrometer，Rockwel l apparatus，Vickers hardness tester and Optical microscopy.The resul ts showed that the chemical composition of f racture dril l pipe thread is normal，and the microstructure of the f racture dril l pipe thread were abnormal resul ted f rom improper heat treament and have important theory significance and academic valve。

【Key w o rds】35CrMo；Dri l l Pipe；Fracture；Fai lure analysis