氯離子濃度對鉆桿鋼門檻區疲勞裂紋擴展性能的影響

摘 要：本文通過對S135鉆桿鋼疲勞破壞分析的基礎上，結合疲勞破壞過程中疲勞裂紋擴展的一般規律，主要研究了不同氯離子濃度下的介質環境對S135鉆桿鋼疲勞裂紋擴展性能的影響。通過力學性能試驗、金相組織觀察、掃描電鏡斷口分析、疲勞裂紋擴展速率分析等方法，探討了不同氯離子濃度下的介質環境對S135鉆桿鋼疲勞裂紋擴展性能的影響。

關鍵詞：鉆桿鋼;疲勞裂紋擴展速率;氯離子濃度;門檻區

1 疲勞的基本定義

金屬機件或構件在變動應力和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現象稱為疲勞。隨著油氣勘探地下條件的日趨復雜，在鉆井過程中，不得不使用鉆井液對鉆桿進行相應保護。鉆井液或稱鉆井泥漿，是鉆井作業中使用的一種專用流體，是油氣鉆井工程的一個重要組成部分，具有懸浮、壓力控制、巖層穩定性、浮力作用、潤滑和冷卻等作用。鋼在交變載荷和腐蝕環境共同作用下發生的斷裂稱為腐蝕疲勞斷裂。在交變載荷和腐蝕環境的協同作用下，金屬結構件往往發生非常嚴重的機械腐蝕破壞。因而，我們提出鉆桿材料在含氯介質中的腐蝕行為研究。本實驗主要研究氯離子濃度對鉆桿鋼門檻區疲勞裂紋擴展性能的影響。在了解鉆桿鉆井、腐蝕疲勞失效原理的基礎上，研究氯離子濃度對鉆桿鋼腐蝕疲勞性能的影響。為套管鉆井的施工和安全提供保障。

2 實驗材料

金屬材料的疲勞裂紋擴展試驗可以采用標準CT試樣或標準CCT試樣。本次實驗采用標準CT試樣。

試樣厚度：對于CT試樣而言，推薦厚度范圍為W/20≤

B≤W/4（W≥25mm）;對于CCT試樣，推薦試樣厚度上限為w/8，所必要的最小厚度要能避免屈曲。試樣寬度：為測得有效的試驗數據，應根據材料的條件屈服強度σ0.2以及預期的最大應力強度因子的極限值KmaxL和CT試樣的a/W或CCT試樣的2a/W極限值選擇試樣的最小可寬度W。試樣切口：CT試樣的切口長度an應不小于0.2W。CCT試樣的切口前緣到中心的距離an應不小于中心孔徑的3倍，當采用柔度法測量裂紋長度時，建議中心裂紋長度2an不小于0.2W。試樣切口可通過銑切、線切割和其他方法加工而成。本次試驗采用的CT試樣的尺寸為：W=30，B=4.8，預制裂紋長度a=11。

試樣不可避免地會存在殘余應力，它有可能引起疲勞裂紋擴展速率的變化。通過選擇合適的試樣形狀和尺寸及合理的試樣加工與熱處理工藝等，使殘余應力對疲勞裂紋擴展速率的影響盡量減小。

疲勞裂紋擴展速率并非總是與試樣的幾何形狀無關，試樣厚度的變化對疲勞裂紋擴展速率的影響有可能增大、減小或保持不變，因此，對試樣的厚度效應應當引起注意。

3 實驗方法

3.1 金相試樣實驗

通過：取樣--磨制--拋光--侵蝕的操作流程，觀察實驗結果。將上面拋光好的試樣用預先配置好的4%的硝酸酒精溶液侵蝕，侵蝕時間為2～3s。若侵蝕不足則繼續侵蝕;但侵蝕過度時，則需重新拋光，再進行侵蝕。

3.2 材料化學成分分析

檢測S135鋼的成分，確定材料是否合格，需要測試的成分包括（C，Si，Mn，P，S，Cr，Ni，Cu，Mo，V）。本次試驗采用光譜儀測試材料的成分。取材料S135鉆桿鋼的接箍的部分，光譜儀是依據不同元素的特征XR具有不同的波長這一特點來對檢測的XR進行分散展譜，實現對微區成分的分析。因此，利用WDS就可以檢測出S135鋼的成分，確定其是否合格。

3.3 拉伸試驗

拉伸試驗的目的和特點：拉伸試驗是材料力學性能試驗中最普遍、最常用也是最重要的一種試驗方法。目的：結構和零部件設計上的需要，材料研究和工藝選擇上的需要，出廠檢驗和進料驗收;特點：能夠反映材料的基本屬性，簡單、快捷和可靠。

試驗后試樣出現兩個或兩個以上的縮頸以及顯示出肉眼可見的冶金缺陷（例如分層、氣泡、夾渣、縮孔等），應在試驗記錄和報告中注明。

3.4 沖擊試驗

沖擊試驗使用夏比V型缺口，試樣尺寸應為10mm×

10mm×55mm，在長度中部開有2mm深的V型缺口。但是，當坯料尺寸無法滿足10mm×10mm×55mm要求時，可加工成7.5mm×10mm×55mm小尺寸的輔助試樣。沖擊試驗方法與其他試驗方法相比有3個特點：沖擊速度高，約為拉伸速度的103～105倍;沖擊試樣開缺口;沖擊試驗的受力狀態是試樣缺口一面受拉，與之相對的另一面受壓。

3.5 疲勞裂紋擴展試驗

用最小分度值不大于0.01mm的量具在試樣的韌帶區域三點處測量厚度B，取算術平均值;用最小分度值不大于0.001mm的量具在試樣的裂紋所在截面附近測量寬度W。

預制疲勞裂紋。預制疲勞裂紋的加力要求：預制疲勞裂紋時應使最大力Pmax的誤差控制在±5%以內;預制疲勞裂紋最后一級的最大力值不得超過開始記錄試驗數據時的最大力值;預制疲勞裂紋長度的要求：在前后表面上從切口頂端到疲勞裂紋尖端測量裂紋長度。測量應準確到±0.1mm或±0.002W中較大者，所測各個裂紋長度均應大于0.1B和切口寬度h，但不得小于1mm（W>127mm的試樣，測量裂紋長度應準確到0.25mm以內）。

3.6 斷口形貌觀察

斷口分析的方法根據研究手段的不同，斷口分析方法分為宏觀分析方與微觀分析兩種：斷口的宏觀分析是用肉眼、放大鏡或低倍率光學顯微鏡來研究斷口的特征;斷口的微觀分析是使用高倍率光學顯微鏡（50倍以上）、掃描電子顯微鏡SEM和透射電子顯微鏡TEM（可高達幾十萬倍）來研究斷口的特征。本次試驗，選用本次試驗，采用JEOL-6390A型掃描電鏡觀察裂紋擴展的形式，試樣取自拉伸和裂紋擴展試樣斷口。

4 檢測試驗結果

分析上表（表1）試驗材料所含合金元素種類及C含量（0.28%），知S135鋼為中碳低合金鋼。S、P質量分數均小于0.03%，這對于提高強度和斷裂韌性均有作用，可見S135鋼為優質高強級鉆桿鋼（API SPEC 5D美國石油學會標準，即磷不大于0.03%，硫不大于0.03%）。檢測結果表明試驗所用材料符合API SPEC 5D美國石油學會標準的要求。

S135鉆桿鋼的拉伸性能分析結果顯示此材料滿足API SPEC 5D標準對S135鋼級的性能要求。

各力學性能試驗值如下表所示：

，在低濃度時由于腐蝕液的影響較小，我們能清楚地看到裂紋條帶和疲勞裂紋，隨著濃度的增加，由于腐蝕液在晶面形成的腐蝕雜質可能覆蓋在晶體表面，所以我們不能夠清楚的觀察到斷口的形貌。只能根據不同濃度下裂紋擴展速率的大小比較來推測濃度對裂紋擴展的影響。

5 通過試驗從中得到的結論如下

①對于S135鋼，在其他條件相同時，隨著溶液濃度增大，Paris公式中的指數m和C變化并不大;②在Paris區，溶液濃度對疲勞裂紋擴展速率影響不大，相比之下，在3.0%KCL濃度下，相同ΔK下，疲勞裂紋擴展速率更高;③與Paris區相比，氯離子濃度對門檻區裂紋擴展速率影響更顯著，且隨著濃度的增加，門檻值裂紋擴展速率總體呈先增加后減小趨勢，在3.0%KCL濃度下，裂紋擴展速率最高。

參考文獻：

[1]沈蓮.機械工程材料[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]束德林.工程材料力學性能[D].北京：機械工業出版社，2007.

[3]上海交通大學《金屬斷口分析》編寫組.金屬斷口分析[M].北京：國防工業出版社，1979.

[4]張國軍，潘志國，段占軍，等.X60管線鋼腐蝕疲勞裂紋擴展特性[J].石油化工腐蝕與防護，2001，18（1）：53-56.

[5]王寶艷.抽油機井管疲勞斷裂機理與預防措施的研究[D].杭州：浙江大學，2002.

作者簡介：

王超（1982- ），男，山東人，本科學歷，助理工程師，研究方向：鉆井平臺設備維護與管理。