穩定器耐磨帶脫落及裂紋原因分析

黃智斌，夏志偉

（蘇州華碧微科檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215024）

穩定器作為鉆柱構件的重要組成部分，在石油、天然氣勘探作業過程中起著穩定扶正的作用，穩定器的主要工作部分是螺旋棱，螺旋棱上常鑲嵌一定數量的硬質合金塊來增加表面的耐磨性，增加硬質合金塊在螺旋棱上的面積比例，會增加螺旋棱整體的抗磨損能力[1]。

此穩定器為螺旋穩定器，結果見圖1，加工工藝為：鉆深孔～車出外型～銑水槽～焊接耐磨帶（噴焊，填料為金屬粉末，距表面1mm時更換硬度高的金屬粉末）～焊接完畢保溫緩冷（溫度320℃）～磨床加工至規定尺寸～車螺紋。其原料質量要求為API Spec7-1無磁材料要求。

圖1 螺旋穩定器結構

1 試驗材料與方法

已失效的無磁穩定器耐磨帶宏觀形貌如圖2所示。穩定器耐磨帶脫落位置位于穩定器扶正段的下端即導入端，裂紋位置位于穩定器扶正段的下端過度棱處。采用全超聲波探傷儀對穩定器進行無損探傷，采用全譜直讀光譜儀對穩定器化學成分進行分析，采用光學顯微鏡對穩定器進行顯微組織檢驗，采用萬能材料試驗機、擺錘沖擊試驗機、數顯布氏硬度計及數顯維氏硬度計對穩定器本體材料進行力學性能檢驗及對耐磨帶硬度進行檢驗。

圖2 耐磨帶脫落照片

2 試驗結果

2.1 超聲波探傷

對無磁穩定器基體進行超聲波探傷，結果見表1。穩定器本體材料未見隱蔽性缺陷。

表1 超聲波探傷結果

2.2 化學成分分析

對無磁穩定器基體材料的化學成分進行檢測，結果見表2。由表1可知，無磁穩定器成分為不銹鋼材質。

表2 化學成分分析結果（質量分數%）

2.3 顯微組織檢驗

對穩定器基體、耐磨帶及過度棱裂紋處進行顯微組織檢查，如圖3所示，穩定器基體組織為均勻的奧氏體組織；如圖4所示，耐磨帶噴焊層內部亦彌散分布著大小不一的氣孔，如圖5所示，未脫落的硬質合金塊亦存在裂紋，如圖6所示，裂紋處表面噴焊層被磨損，裂紋從表面擴散向內部擴展。

圖3 基體顯微組織

圖6 表面裂紋照片

2.4 力學性能檢測

對穩定器基體材料進行力學性能檢測，結果由表3所示。由表3可知，穩定器基體材料性能滿足API Spec7-1中無磁材料的要求。

表3 基體力學性能測定結果

2.5 晶間腐蝕檢測

依據ASTM A262-2015方法E對穩定器進行晶間腐蝕測試，測試后20X顯微鏡觀察彎曲試樣外表面無裂紋，符合API Spec7-1中無磁材料的要求。

3 分析與討論

穩定器作為鉆柱構件之一，其服役條件與受力情況、地層巖石的性質、腐蝕介質等均影響其壽命。穩定器實現穩定扶正功能過程中必然要與井壁的巖（砂）石發生強烈摩擦和碰撞，穩定器下端即導入端承受的磨損及碰撞較上端劇烈。硬質合金塊凸出基體表面，地層中存在的硬度較高的巖（砂）石，有的砂巖中石英的含量高達80%～85%，石英砂硬度很高，可達HV900～1280[2]，在鉆井過程中會對扶正器表面造成磨損以及局部的沖擊。硬質合金塊硬度高、韌性低，在局部沖擊作用下部分硬質合金塊碎裂，破壞了整體耐磨帶的穩定性。噴焊層的氣孔會降低噴焊層的結合強度，亦降低了噴焊層對硬質合金塊的支撐和保護作用，在沖擊作用下，由于結合強度不夠，出現耐磨帶及耐磨塊脫落的現象。

4 結語及建議

（1）穩定器棱角處裂紋為穩定器在工作過程中，受扭轉、縱向震動、摩擦、沖擊應力的作用，在磨損處應力集中，產生裂紋。

（2）穩定器耐磨帶、耐磨塊脫落原因為噴焊層存在彌散的氣孔，降低了界面間的結合強度，在與硬度較高的巖（砂）石發生局部沖擊及摩擦過程中，發生松動脫落。

（3）建議在螺旋棱焊接過程中，選擇合適的焊接方法、工藝參數，以確保穩定器的可靠性。