鉆桿焊縫側彎試驗樣斷裂原因分析

余世杰，徐昌學，陳 猛，歐陽志英

（上海海隆石油管材研究所，上海 200949）

鉆桿是油氣開采的重要工具，占整個鉆柱的80%以上，伴隨著鉆井技術的不斷發展，石油天然氣開采向深地層、含硫地層發展，鉆桿的井下服役環境也愈加苛刻，鉆桿失效往往會造成巨大的經濟損失。因此，鉆桿服役過程中的安全可靠性也變得尤為重要［1-2］。鉆桿由鉆桿管體及接頭摩擦焊接而成，在摩擦焊后進行焊縫熱處理。對于鉆桿生產而言，應保證鉆桿焊縫區域的性能穩定性，而鉆桿焊縫的灰斑缺陷是影響鉆桿焊縫性能穩定性的關鍵因素［3-5］。目前，對于鉆桿摩擦焊縫灰斑的研究較少，這里針對鉆桿生產中的一起灰斑缺陷試樣進行了微觀形貌及組織試驗研究。

某公司在對一根鉆桿焊縫做側彎檢測試驗時，發現該鉆桿其中一支試驗樣在進行側彎時沿著焊縫處發生斷裂；另外一支試驗樣壓彎后，在焊縫的中間位置出現小裂紋同時，該鉆桿焊縫的韌性也低于正常值。3個焊縫沖擊試樣的沖擊功分別為52，42，36 J。鉆桿焊縫側彎試驗過程如圖1所示，側彎試驗后斷裂及出現裂紋的樣品形貌如圖2所示。

圖1 鉆桿焊縫側彎試驗過程

圖2 側彎試驗后斷裂及出現裂紋樣品形貌

1 側彎斷口形貌觀察分析

1.1 宏觀形貌觀察

圖2（a）所示側彎試驗后樣品斷口宏觀形貌如圖3所示，斷口上存在一個比較平的斷口形貌區域，記為區域①；在靠近外壁的區域存在多條溝狀的形貌，記為區域②；存在撕裂棱較明顯的區域，記為區域③。區域①、②為斷裂異常區域，區域③為斷裂過程中正常的撕裂區域，這里重點對區域①、②進行了掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜分析（EDS）。

圖3 側彎試驗后樣品斷口宏觀形貌

1.2 平臺區域的SEM顯微分析和EDS能譜分析

在區域①的位置，斷口較平整，與周圍有明顯的差異，SEM形貌如圖4（a）所示；放大后可以觀察到少量平淺的塑性韌窩，存在一定量的撕裂臺階，并且還存在一些黑色的塊狀物質，如圖4（b）所示；在撕裂臺階上存在細小韌窩狀形貌，韌窩呈交迭分布，無明顯的塑性變形，如圖4（c）所示。

圖4 平臺區域的SEM形貌

對圖4（b）黑色的塊狀物質進行EDS能譜分析，分析結果如圖5所示，EDS能譜分析結果見表1。分析結果表明，Al、Ca、O三種元素的含量比較多，分別為17.61%、9.47%、36.59%。

表1 鉆桿試樣譜圖1能譜分析出的化學成分（質量分數）%

圖5 平臺區域黑色的塊狀物質形貌和能譜分析結果

1.3 條形溝狀區域的SEM顯微分析和EDS能譜分析

在圖3區域②位置的條形溝狀形貌如圖6（a）所示；靠近溝底的平臺上發現比較平整的斷口形貌，將其放大進行觀察，發現該平臺斷口呈細小韌窩狀形貌，并且有一些較大的塊狀物質存在，如圖6（b）所示；條形溝底部斷口較平整，有許多顆粒狀的物質存在，如圖6（c）所示；對局部區域繼續放大，可以觀察到許多細小的韌窩存在，韌窩交迭分布，并且無明顯的塑性變形，并且在韌窩內存在顆粒狀或者長條狀黑色物質，如圖6（d）所示。

圖6 條形溝狀區域的SEM微觀形貌

對圖6（b）的塊狀物質進行EDS分析，分析結果如圖7所示，見表2。結果表明，Al、Ca、O含量比較多，分別為27.39%、16.52%、49.43%。對溝底顆粒狀的物質同樣進行EDS能譜分析，分析結果亦顯示，Al、Ca、O三種元素含量比較多。在條形溝底存在較多的氧化物夾雜Al2O3和CaO。

圖7 條形溝底附近的平臺形貌和能譜分析

表2 鉆桿試樣譜圖2能譜分析化學成分（質量分數）%

2 焊縫沖擊斷口的微觀形貌分析

該焊縫沖擊斷口較為平整，試樣沖擊斷面為混合斷面，在斷面上存在較多與側彎試樣斷口相似的發散狀溝渠，其整體宏觀形貌如圖8所示。在沖擊斷面靠近缺口部分存在一處平坦區域，其放大后的微觀形貌如圖9所示。在區域內大部分為解離及準解離的斷裂形貌，為脆性斷面形貌。在斷口中部及裂紋發散狀溝渠區域，也分散地存在一些小平臺，該平臺區域上形貌和側彎斷口的平臺區域較為相似，分布有大量韌窩，韌窩平且淺，部分韌窩內存在顆粒狀夾雜物，韌窩之間分布有扁平的氧化夾雜物，如圖10（a）所示；對發散狀溝渠區域進行放大，發現在大部分溝渠內部分布有條狀夾雜物，如圖10（b）所示。經EDS能譜分析，條狀夾雜物大部分為硫化物，能譜分析結果表明該夾雜物為S、Mn、Al等硅酸鹽夾雜物，如圖11所示和見表3。

表3 鉆桿試樣譜圖3條形溝放大后的能譜分析出的化學成分（質量分數）%

圖8 沖擊斷口整體宏觀形貌

圖9 沖擊斷面靠近缺口的準解理形貌

圖10 沖擊斷口條形溝區域微觀形貌

圖11 條形溝放大后譜圖3的能譜分析

3 金相組織分析

在焊縫處取金相試樣，經過觀察分析，焊縫的金相組織較為正常，靠近焊縫處，因為冷卻速度不夠，存在少量鐵素體和貝氏體，但是在局部區域存在尺寸較大的夾雜物，該夾雜物距離焊縫約2 mm，呈縱向分布，靠近焊縫處的夾雜物形貌如圖12所示。對該夾雜物進行EDS能譜分析，分析結果如圖13所示及見表4。結果表明該夾雜物主要含有Al、Ca、O三種異常元素，含量分別為23.36%、18.46%、42.05%。

圖12 靠近焊縫處的夾雜物形貌

圖13 靠近焊縫處的夾雜物和能譜分析結果

表4 鉆桿試樣譜圖4能譜分析出的化學成分（質量分數）%

4 綜合分析

通過上述斷口形貌和EDS能譜分析，結合以前的灰斑試驗，可以得知在斷口平臺區域和條形溝底部區域的斷口形貌為灰斑形貌，灰斑對焊縫的沖擊及壓彎性能影響比較大。

灰斑是鉆桿摩擦焊接頭接合面上的主要缺陷之一，很多研究資料證明灰斑是夾在焊縫中間的一層氧化膜，是焊縫材料在高溫高壓下被氧化的產物。無論是熱態還是室溫條件下，灰斑與兩側母材的結合力都很差，阻礙焊接面金屬的真正接觸，不能形成牢固的焊接接頭［6-15］。

焊接時的振動是焊縫里產生灰斑的主要原因之一。若接頭和桿體相對旋轉摩擦時存在振動，焊接面勢必會透進空氣，由于該區高溫高壓的特點，特別有利于金屬氧化。如果臨近頂鍛時振動仍在繼續，幾乎可以使整個焊接面都被氧化。氧化了的金屬若不能及時地以飛邊形式被擠出，留在焊接面內部，被高壓和旋轉運動碾碎，最終以氧化膜形式夾在焊縫中間。由于焊接開始階段都存在振動，加上焊接面上原有的污染物，焊接初期焊接面被氧化不可避免。因此焊接工藝參數在保證原子擴散和再結晶基礎上，還應保證摩擦階段有足夠的軸向縮短量，使氧化了的金屬盡可能以飛邊形式排出焊縫。

焊前焊接端面的銹蝕是產生灰斑的另一個重要原因。摩擦焊接并不能完全擠出原始端面上的物質，因此焊前焊接端面的清污工作十分重要。焊接前應徹底清除焊接端面上的銹、水、油等污物，保證讓潔凈的母材參與焊接，減少焊縫內產生微觀灰斑的幾率。

根據此次側彎斷裂樣品宏微觀形貌及對應的沖擊韌性值，可以看出該鉆桿焊縫在局部熔合面上存在灰斑缺陷，未完全熔合，將條形溝區域和平臺區域的面積進行統計得出灰斑占整個試樣焊縫的10%左右。

從斷口灰斑平淺韌窩內的夾雜物（圖13）與壓彎試驗樣斷口表面的黑色塊狀或者粒狀物質的成分可以看出，夾雜物的成分均比較接近，為Al2O3、CaO和MnS等夾雜物，上述夾雜物應為焊接母材內帶入的夾雜物，而并非在焊接過程中外部“滲入”；如焊接端面上的銹、水、油等污物未清除干凈引起的灰斑，夾雜物成分主要以C、O等元素為主。據此可以推斷此次焊接灰斑是由于原料管端部存在較多的非金屬夾雜，在摩擦焊接過程中，焊接熔融區內的夾雜物重新聚集，并且在焊接頂鍛擠壓時，這部分夾雜物從熔融區中未完全擠出，保留在焊縫面區域，形成灰斑缺陷。

5 結語與建議

此次鉆桿焊縫的側彎試驗樣品斷口和沖擊斷口都表現為明顯的脆性斷口形貌，主要原因是原料管端部存在大量的夾雜物。在摩擦焊接過程中，由于這部分夾雜物未被擠壓出焊縫，在焊縫局部區域形成灰斑缺陷，降低了焊接接合面的實際強度。

建議在鉆桿焊接前應徹底清除管體與接頭焊接端面上的污漬，確保焊接兩端母材的潔凈度，適當提高摩擦焊接時的頂段壓力，保證焊縫軸向縮短量，使氧化了的金屬盡可能以飛邊形式擠出焊縫，從而降低焊區內產生微觀灰斑的幾率。