42CrMo鋼三棱螺旋鉆桿接頭斷裂原因分析

余世杰, 龔丹梅, 陳 猛, 歐陽志英

(1. 上海海隆石油管材研究所，上海 200949;2. 上海大學 材料科學與工程學院， 上海 200072)

近年來，三棱螺旋鉆桿在煤層氣開采和煤層深孔鉆進等領域的應用日益廣泛。三棱螺旋鉆桿是在光面鉆桿的表面加工出螺旋溝槽或者在其上纏繞焊接鋼條以形成螺旋凸棱[1-2]，在鉆進過程中遇到煤層塌孔時依靠螺旋助動力將緊貼在鉆桿上的煤屑扒出，進而疏通風力或水力排屑主通道，使煤層氣開采和煤層深孔鉆進高效持續地進行。因此保證三棱螺旋鉆桿的力學性能和服役可靠性對于煤層氣開采和煤層深孔鉆進的安全作業至關重要[3-4]。

某煤礦在進行煤層鉆采作業過程中發生了幾起三棱螺旋鉆桿接頭斷裂事故，發生事故的礦井為水平支井，井深為500～1 000 m，發生斷裂的三棱螺旋鉆桿處于水平井深30～100 m處，斷裂處位于鉆桿公接頭螺紋大端第一完整牙附近，鉆機扭矩為2 000 N·m。斷裂的三棱螺旋鉆桿均為投入使用不久的新鉆桿，規格為φ75 mm×15 mm，材料為42CrMo鋼，螺紋扣型為偏梯形扣，其采用的雙臺肩接頭螺紋結構不符合API SPEC 5DP：2009(2015)SpecificationforDrillPipe的技術要求。為查明該三棱螺旋鉆桿接頭斷裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀查

對斷裂的三棱螺旋鉆桿進行宏觀觀查，由圖1可見，斷裂發生在鉆桿公接頭螺紋大端第一完整牙處，接頭的原始斷面被破壞，部分斷面被擠壓磨損露出新鮮基體，受摩擦生熱的影響，部分基體呈藍黑色。斷面有金屬擠壓時留下的劃痕，斷口一側的金屬被擠壓翻入鉆桿的內外壁形成飛邊，由此可推斷鉆桿接頭斷裂后還與井下鉆具發生了機械摩擦。由圖2可見，斷口一側存在瞬斷區與裂紋擴展區形成的交界線，裂紋沿著螺紋牙底向鉆桿內壁擴展，由此推斷裂紋起源于接頭螺紋牙底。

圖1 鉆桿接頭斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fracture of drill pipe joint

對鉆桿的內徑和壁厚分別測量3次，得到鉆桿的內徑測量結果分別為44.20，44.44，44.18 mm，壁厚測量結果分別為15.54，15.46，15.38 mm。另外觀察可見鉆桿表面質量良好，外壁無明顯腐蝕坑。

圖2 斷口瞬斷區與裂紋擴展區的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the crack transient andexpansion area on the fracture

1.2 化學成分分析

在鉆桿接頭斷口附近取樣，采用ARL 4460 OES型直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。可見鉆桿接頭的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》及API SPEC 5DP：2009(2015)對42CrMo鋼的成分要求。

表1 鉆桿接頭的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the drill pipe joint (mass fraction) %

1.3 力學性能測試

按照ASTM A370—2017《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》，在鉆桿接頭斷口附近取圓棒拉伸試樣，采用WAW-600型電液伺服萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，結果如表2所示。可見鉆桿接頭的拉伸性能符合技術要求。

表2 鉆桿接頭的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the drill pipe joint

根據ASTM A370—2017在鉆桿接頭斷口附近取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的縱向沖擊試樣，采用JBN-300型擺錘式沖擊試驗機進行20 ℃下的沖擊試驗，得到鉆桿接頭的沖擊吸收能量分別為28，30，28 J，沖擊吸收能量平均值為29 J，不符合企業技術文件不小于54 J的要求。

采用掃描電鏡(SEM)觀察沖擊試樣的斷口形貌，見圖3，斷口呈準解理形貌，70%面積區域呈結晶狀。

圖3 鉆桿接頭沖擊試樣斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of impact sample fractureof the drill pipe joint

1.4 硬度測試

在鉆桿接頭靠近斷面的管體部位取樣，采用600MRD型數顯洛氏硬度計對試樣橫截面隨機取33個位置進行洛氏硬度測試，測試位置如圖4所示，結果見表3。可見鉆桿接頭的洛氏硬度均不符合企業技術文件中32～36 HRC的要求。

圖4 鉆桿接頭洛氏硬度測試位置示意圖Fig.4 Diagram of Rockwell hardness test positionsof the drill pipe joint

HRC

1.5 金相檢驗

根據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，在鉆桿接頭螺紋厚壁部位取樣，試樣經打磨、拋光并用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用OLYMPUS GX51型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖5可見，鉆桿接頭基體顯微組織為回火索氏體+極少量上貝氏體，部分回火索氏體仍保留了淬火馬氏體的位相。由圖6可見，鉆桿接頭管體內外壁顯微組織中均有0.10～0.20 mm的脫碳層。根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，對鉆桿接頭基體顯微組織中的夾雜物進行評級，結果為A1.5，C0.5，D1.0級。

圖5 鉆桿接頭基體顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the drill pipe joint matrix

圖6 鉆桿接頭管體內壁顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of inner wall of the drill pipe joint

2 分析與討論

斷裂鉆桿接頭的服役時間遠低于其正常使用壽命，屬于早期的疲勞斷裂。鉆桿在水平井段服役過程中主要受到旋轉扭矩及彎曲載荷作用，鉆桿接頭螺紋斷裂主要與鉆桿接頭材料的理化性能及接頭螺紋部位的結構應力集中有關[5-6]。

2.1 理化性能分析

由理化檢驗結果可知，鉆桿接頭斷裂部位的洛氏硬度為36～42 HRC，不符合企業技術要求。鉆桿接頭靠近斷面的管體部位的沖擊吸收能量平均值僅為29 J，也不符合企業技術要求。當裂紋尺寸一定時，材料的沖擊吸收能量越大，裂紋失穩擴展所需的臨界應力就越大；當外力一定時，若材料的沖擊吸收能量越大，其裂紋達到失穩擴展的臨界尺寸就越大。而該鉆桿接頭的沖擊吸收能量過低，鉆桿抗疲勞開裂能力下降，在裂紋萌生后，會快速發生失穩擴展而斷裂。由金相檢驗結果可知，鉆桿接頭基體的顯微組織為回火索氏體+極少量上貝氏體，且部分回火索氏體仍保留了淬火馬氏體的位相。這表明鉆桿接頭在熱處理時回火不充分，導致硬度偏高，沖擊吸收能量較低，未達到企業技術要求。

鉆桿是承受動載荷的構件，鉆桿的沖擊吸收能量將極大地影響其抗疲勞性能，材料的沖擊吸收能量越低，其抗疲勞性能越差。根據雙臺肩鉆桿接頭的抗扭強度計算公式，當鉆桿接頭屈服強度為1 070 MPa時，可計算出該接頭的抗扭強度約為4 916 MPa，而鉆機提供的扭矩不超過3 000 N·m。鉆桿承受的動載荷雖低于結構的名義承載能力，但如果結構中有微小缺陷或應力集中，則易產生塑性變形，從而萌生裂紋。隨著外力循環次數的增加，微小裂紋會逐漸擴展，鉆桿接頭較低的沖擊吸收能量將降低裂紋擴展的阻力，進而縮短裂紋亞穩擴展時間，最終導致鉆桿發生早期疲勞斷裂。

由金相檢驗結果還可知，在鉆桿接頭管體內外壁存在0.1～0.2 mm的脫碳層，使得42CrMo鋼的疲勞強度降低[7-8]，從而導致鉆桿接頭在使用過程中過早地發生疲勞斷裂。

2.2 結構應力集中分析

采用MSC Marc有限元軟件，對斷裂鉆桿接頭的偏梯形螺紋進行應力模擬分析[9-11]，得出在一定扭矩作用下的接頭截面應力分布，如圖7所示。可見第一對嚙合牙(離臺肩面最近的一對螺紋牙)承受載荷最大，第二對次之，第三、四對依次減小。鉆桿公扣嚙合的第一、二對螺紋牙處易引起應力集中，為螺紋受力的薄弱環節，在鉆桿服役過程中受扭轉與彎曲等動載荷的作用，此處易引發鉆桿接頭早期斷裂失效。

圖7 鉆桿接頭截面應力分布圖Fig.7 Stress distribution diagram of the drill pipe joint section

3 結論及建議

該42CrMo鋼三棱螺旋鉆桿熱處理時因回火溫度過低，使其硬度偏高，造成沖擊吸收能量偏低,韌性較差，在扭轉、彎曲等交變載荷作用下，于螺紋牙底的應力集中處發生早期疲勞斷裂。

建議適當提高調質處理的回火溫度，以提高鉆桿接頭的沖擊吸收能量，從而提高鉆桿的整體抗疲勞性能。