S135 鉆桿管體到加厚過渡段區域失效分析

趙金蘭， 王 燾， 王玉成， 王亞廣，李京川， 仝 柯， 瞿婷婷

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077；2. 中油管道物資裝備有限公司， 河北 廊坊065000）

1 概 況

對某井鉆桿進行超聲波探傷時， 發現9 根Φ139.7 mm （51/2in） 斜坡鉆桿加厚區有異常反射信號， 立即將該9 根鉆桿進行初步驗證， 結果顯示9 根鉆桿距內螺紋臺階面或外螺紋臺階面600～720 mm 處出現不同程度的內裂紋或者內腐蝕。

鉆具規格為S135 鋼級Φ139.7 mm×9.17 mm，累計使用時間1 380 h， 進尺2 395 m， 鉆進過程中蹩跳嚴重， 扭矩10.6 kN·m， 符合作業要求。

2 試驗方法和結果

2.1 宏觀分析

本研究針對1#鉆桿進行分析。 1#鉆桿管體形貌如圖1 所示， 由圖1 可以看出， 鉆桿內表面存在大量腐蝕坑， 腐蝕嚴重， 內表面覆蓋一層較厚的腐蝕產物。

從1#鉆桿管體取樣 （1#試樣和2#試樣），如圖2 所示， 兩個試樣均處于管體到加厚過渡段區域 （Miu-R 處）， 1#試樣距離母接頭端面710 mm， 由內表面至外表面壁厚方向存在1 處裂紋， 其低倍照片如圖2 （c） 所示。 2#試樣距離公接頭端面740 mm， 由內表面至外表面壁厚方向存在2 處裂紋， 一處較長， 一處較短， 其低倍照片如圖2 （d） 所示。

圖1 1#鉆桿管體形貌

宏觀觀察可見管體內表面上存在多處深度及直徑不等的腐蝕凹坑， 鉆桿管體上的裂紋起源于管體內表面， 沿周向及徑向擴展， 且存在多源性。

圖2 試樣腐蝕坑形貌及壁厚方向裂紋形貌

2.2 化學成分分析

依據ASTM A751-14a 標準， 采用ARL 4460直讀光譜儀對鉆桿管體進行化學成分分析， 送檢鉆桿的化學成分分析結果見表1。 分析結果表明， 失效鉆桿的化學成分符合API SPEC 5DP—2009 標準要求。

表1 化學成分分析結果 %

2.3 力學性能試驗

從鉆桿管體位置分別沿縱向取拉伸試樣和沖擊試樣進行力學性能試驗， 拉伸試樣的規格是寬25.4 mm、 標距長50 mm 的板狀試樣， 沖擊試樣的規格為7.5 mm×10 mm×55 mm 夏比V 形缺口沖擊試樣。 按照ASTM A370-19ε1 標準進行縱向拉伸及沖擊試驗， 拉伸試驗為常溫拉伸， 沖擊試驗為室溫， 試驗結果見表2。 由表2 可以看出，送檢失效鉆桿的力學性能符合API SPEC 5DP—2009 標準要求。

表2 力學性能試驗結果

2.4 金相分析

從1#和2#塊狀試樣上分別制取金相試樣，依據ASTM E3-11 （2017）、 ASTM E45-18a 及ASTM E112-13 標準， 采用激光共聚焦金相顯微鏡及圖像分析系統對送檢鉆桿的顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進行觀察、 分析， 1#和2#試樣腐蝕坑組織及形貌如圖3 和圖4 所示。

金相試樣分析結果表明， 在鉆桿內壁內表面可見明顯腐蝕坑， 腐蝕坑中腐蝕產物呈龜裂狀或塊狀， 最深坑處距表面0.86 mm， 且內表面腐蝕坑底已萌生裂紋， 圖3 （d）、 圖4 （c）中能明顯看出裂紋萌生于腐蝕凹坑的底部； 裂紋最長長度為6.32 mm， 裂紋沿壁厚方向擴展， 裂紋尖端可見明顯沿晶形貌。 坑內局部及裂紋內可見灰色雜質， 周圍組織為回火索氏體組織。

圖3 1#試樣腐蝕坑組織及形貌

圖4 2#試樣腐蝕坑組織及形貌

2.5 腐蝕產物能譜分析

采用TESCAN VEGA II 掃描電子顯微鏡及其附帶的XFORD INCA350 能譜分析儀， 對1#、2#試樣腐蝕坑、 裂紋內灰色雜質進一步進行能譜分析， 其主要成分為Fe、 C、 O、 Si、 S、 Cr、 Al及K， 如圖5、 圖6 所示。

圖5 1#試樣腐蝕坑及裂紋能譜分析結果

圖6 2#試樣腐蝕坑及裂紋能譜分析結果

圖7 2#試樣長裂紋內部形貌

將2#試樣長裂紋延裂紋延伸方向劈開， 觀察其裂紋內部腐蝕形貌， 如圖7 所示， 并對腐蝕產物進行能譜分析， 其主要成分為Fe、 C、 O、Si、 S、 Cr、 Al、 K 及Ba， 如圖8 所示。

圖8 2#試樣長裂紋內部能譜分析結果

2.6 腐蝕產物的XRD 分析

對腐蝕坑中灰色雜質進一步進行XRD 檢測分析， 物相分析結果見表3。

由XRD 分析結果， 并結合該鉆桿服役環境屬于磺化井可知， 腐蝕產物主要由Fe、 C 和Fe2（SO4）2O·7H2O 等組成。

表3 腐蝕坑中灰色雜質XRD 分析結果

3 分析與討論

失效鉆桿的化學成分分析結果和力學性能結果符合API SPEC 5DP—2009 標準要求， 材料的夏比沖擊吸收能平均值為106 J。

送檢鉆桿1#試樣位于距離母接頭端面710 mm的位置。 2#試樣位于距離公接頭端面740 mm處。 兩個試樣均處于鉆桿管體內加厚過渡區，是剛度大的大壁厚鉆桿接頭與剛度小的小壁厚管體的剛度變化點， 也是整個鉆桿結構上的薄弱位置。

在鉆桿內表面存在大量的腐蝕坑， 并在坑底產生裂紋。 坑內局部及裂紋中均可見灰色夾雜物。 腐蝕坑周圍的金相組織與基體組織相同， 為回火索氏體組織， 晶粒度為9.0 級。

由失效鉆桿樣品的內表面腐蝕坑及裂紋內灰色夾雜物能譜分析可知， 其主要成分為Fe、 C、O、 Si、 S、 Cr、 Al 及K， 進一步進行XRD 腐蝕產 物 分 析， 腐 蝕 產 物 為Fe、 C、 Fe2（SO4）2O·7H2O。 腐蝕產物中含有S， 說明鉆桿使用介質中含有S。

鉆桿在井下工作過程中主要承受拉伸、 彎曲和扭轉交變載荷， 而一般的井都不是理想的直井， 都有斜井。 當鉆桿在井下旋轉時， 表面反復承受拉壓載荷。 同一腐蝕環境下， 承受高應力的鉆桿比承受低應力的鉆桿腐蝕速率快， 從而形成腐蝕凹坑， 在交變應力作用下， 腐蝕坑底部萌生裂紋， 并加速擴展。

在此井施工中， 1#試樣、 2#試樣內表面均已產生大量腐蝕坑， 腐蝕坑底的應力集中已經促使了裂紋的萌生和擴展， 裂紋的形成又促進了腐蝕的發生， 兩者相互作用， 加速了裂紋的擴展。其中1#試樣裂紋長度為4.76 mm， 2#試樣有2 處裂紋， 長度分別為6.32 mm 和1.22 mm， 裂紋長度沿周向及徑向方向擴展。

綜合以上分析， 在氧的作用及磺化井工況下， 使得鉆桿內加厚過渡帶內表面處腐蝕集中和應力集中部位產生腐蝕坑， 在交變載荷作用下，腐蝕坑底的應力集中對裂紋的萌生和擴展起到直接作用， 同時裂紋快速擴展。 這是本次鉆桿腐蝕疲勞失效的根本原因。

4 結論及建議

（1） 送檢鉆桿試樣的化學成分分析結果及力學性能試驗結果符合API SPEC 5DP—2009標準要求。

（2） 該批鉆桿內加厚過渡帶裂紋產生的原因為腐蝕疲勞。

（3） 建議加強對同批鉆桿的無損探傷檢驗，避免帶腐蝕疲勞裂紋的鉆桿下井使用。

（4） 建議使用內涂層鉆桿。