某S135 鉆桿管體斷裂失效分析

鉆桿是鉆柱的主要組成部分， 其上部連接鉆桿， 下部連接鉆鋌。 鉆桿主要作用是傳遞扭矩，使鉆頭向下鉆進， 加深井眼。 鉆桿內孔通入高壓水， 用以沖洗鉆頭粉碎的巖屑， 并把巖屑排出井口。 鉆井過程中， 鉆桿受拉、 壓、 扭、 彎等復雜靜載和動載應力， 工作環境十分惡劣

。

何良諸拎著空槍，退到休息區內，把頭靠在沙發上，閉住眼睛。租槍按時間計費，何良諸沒有交回手槍，持槍在手，心里踏實，心情也是需要付費的。司機，讓他抓耳撓腮候著去吧。出來得匆忙，何良諸要貓個地兒，逮住空兒，想一想。

腐蝕疲勞失效是鉆桿失效的主要形式之一，它是鉆井工程的大敵， 不僅增加鉆具的消耗， 還因停工停產給生產帶來巨大損失。 因此， 加強鉆桿失效分析工作， 探究腐蝕疲勞失效的原因和規律， 尋求積極的預防措施， 對油氣勘探和開發具有一定的意義

。

1 鉆桿失效概況

2021 年10 月， 某地熱井用Φ139.7 mm×11.5 mm S135 鉆桿， 使用兩個月， 在起鉆深度500～800 m時發生斷裂， 斷裂位于鉆桿公扣端， 距管端0.8～1 m 位置， 如圖1 所示A 點位置。 以失效鉆桿為研究對象， 分別進行宏觀檢驗、 理化性能檢驗及斷口分析， 認為該鉆桿為腐蝕疲勞斷裂失效。

2 理化性能測試

2.1 宏觀檢驗

失效鉆桿如圖2 所示， 鉆桿從靠近公扣端的加厚過渡區斷裂， 表面有一層厚厚的腐蝕產物，外表面更甚， 內外表面均沒有防腐涂層。 除去表面的腐蝕產物， 試樣呈鐵灰色和棕紅色。 斷口呈臺階狀， 沒有明顯的塑性變形。 鉆桿內外壁均被腐蝕， 內壁腐蝕坑小而淺， 腐蝕不均勻， 殘留的腐蝕產物比較輕薄； 外壁腐蝕嚴重， 殘留的腐蝕產物比較厚重， 且腐蝕嚴重區域沿鉆桿軸向呈帶狀分布。 斷口上有幾處分別從內、 外壁起裂的扇形區， 部分區域磨損嚴重。

在失效樣品上截取30 mm×50 mm 的試樣，使用PDA-7000 光譜儀， 依據ASTM A751 《鋼產品化學分析用標準試驗方法、 作法和術語》 進行化學成分分析， 檢驗結果見表1。 結果表明，該樣品化學成分滿足API SPEC 5DP 對S135 材料的要求， P、 S 含量未超標。

2.2 化學分析

2004年6月26日—7月6日，黃河內蒙古三湖河口以下河段發生嚴重水污染事件，地方政府對烏梁素海的生態環境和周邊污染源采取多項措施進行綜合治理，在一定程度上促進了烏梁素海水質改善。據有關部門監測，2005—2008年，烏梁素海進水口水體總氮由6.03 mg/L下降至 1.31 mg/L，COD由54.4mg/L下降至26.9mg/L，總磷基本持平，說明水質已逐步好轉。

為了進一步驗證交互雙模自適應無跡卡爾曼濾波算法的性能，測速電機主軸的運動狀態采用式(19)表示的機動性更強的變速模型M2和恒速模型M1交替的形式，采用蒙特卡洛方法仿真200 ms(其中，41-90 ms以及111-160 ms采用變速模型，變速因子ζ分別為1和-1，其余步采用恒速模型。仿真結果如圖8至圖10所示。

2.3 金相檢驗及硬度檢測

在失效樣品上截取30 mm×50 mm 金相試樣， 打磨、 拋光后用4%硝酸酒精腐蝕， 采用DMI5000M 型光學顯微鏡進行金相組織分析， 檢驗結果如圖3 所示， 試樣組織為回火索氏體， 組織均勻， 未見異常組織。

采用Durascan-70 全自動顯微/維氏硬度試驗機， 依據ASTM E92-17 《金屬材料維氏及努氏硬度標準試驗方法》 進行硬度檢測， 壓痕位置如圖4 所示， 試驗結果見表2。 試樣平均硬度為352HV

， API SPEC 5DP 對 鉆 桿 硬 度 值 未 做 要求， 此檢驗結果僅作參考。

2.4 拉伸試驗

在失效樣品上截取210 mm 長的拉伸試樣，使用CMT5105 電子萬能試驗機， 依據ASTM A370 《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》 進行拉伸試驗， 試驗結果見表3， 試驗結果滿足API SPEC 5DP 《鉆桿產品規范》 對S135材料的要求。

2.5 斷口分析

在圖5 所示失效樣品上截取斷口試樣， 并使用5%檸檬酸對試樣進行清洗。 觀察發現， 2

位置的內壁和4

位置的外壁分別有明顯的起裂特征， 為觀察方便， 將試樣截成5 個小塊， 主要分析了2

試樣的斷口和內壁， 以及4

試樣的斷口和外壁的形貌及成分。

使用日立S－3700N 型掃描電鏡對試樣進行微觀觀察， 結果如圖6、 圖7 所示， 發現試樣從內、 外壁腐蝕較嚴重的區域起裂， 呈半圓形徑向擴展， 斷口表面磨損比較嚴重， 起裂區有疲勞臺階， 擴展區可觀察到疲勞弧線， 斷口沒有明顯的塑性變形， 判斷為疲勞斷裂。

試樣內壁腐蝕較輕， 且不均勻， 個別區域腐蝕坑較多， 腐蝕坑深寬比＜1∶2， 為吸氧腐蝕； 有些腐蝕坑內有針狀孔洞深入材料內部， 為小孔腐蝕， 腐蝕嚴重區可觀察到與軸向垂直的裂紋。

試樣外壁腐蝕嚴重， 有大量的腐蝕坑， 個別地方腐蝕坑已連成與軸向垂直的線性缺陷（比較寬的裂紋）。 腐蝕坑較內壁大而深， 深寬比＜1∶2，為吸氧腐蝕； 并有很多針狀孔洞向材料內部延伸，為小孔腐蝕。 腐蝕坑底部有穿晶或沿晶裂紋， 裂紋較寬， 有分岔， 且尖端鈍化， 為典型的腐蝕疲勞裂紋。 腐蝕產物較厚， 微觀形貌呈泥狀花樣。

除此之外，現如今聞喜花饃從農村走向城市形成一種產業。聞喜花饃玫瑰紅專業合作社(現為太原晉聞食品貿易有限公司)、聞喜縣衛嫂食品有限責任公司等作為代表，甚至淘寶上都有聞喜花饃的身影。據統計，在聞喜縣，2012年成立四家合作社，2013年增加到六個合作社。2013年年初，聞喜花饃專賣店首次落戶到山西省省會太原市。其中4個專業機構和3個食品公司都是由山西省聞喜縣花饃協會引導農民成立的。

對內外壁及斷口上的腐蝕產物進行能譜分析， 分析譜圖及分析結果見圖8 和表4。 從表4可 以 看 出， 腐 蝕 產 物 中 含 有O、 Cl、 Ca、 Si、Al、 Mg 等元素， 這些元素與鋼鐵的電化學腐蝕產物、 泥漿及地下礦物質成分基本一致。

近年來，大學生“考研熱”現象備受各方關注。2012年全國研究生報考人數達到165.6萬人，創歷史新高，考研熱還在不斷升溫。本科生考研作為一種個體行為，在宏觀層面上卻反映了當前的一種褒貶不一的社會現象。本文將在微觀層面上探索影響這種個體行為抉擇的因素，深化對本科生考研行為的認識，做出更為規范的分析，以期為高校的教育改革及相關部門的決策提供依據。

分析認為， 鉆桿內外壁均為吸氧腐蝕、 小孔腐蝕和垢下腐蝕， 腐蝕坑內有裂紋萌生， 鉆桿斷裂是交變應力和腐蝕介質共同作用的結果， 為腐蝕疲勞斷裂。 失效過程為： 新鉆桿→腐蝕坑形成→裂紋萌生→裂紋擴展→斷裂失效。

3 試驗結果分析

3.1 環境因素

該鉆桿分別從內外壁起裂， 沿壁厚方向擴展至斷裂， 內外壁的腐蝕坑嚴重影響了鉆桿的使用壽命。 鉆桿外壁較內壁腐蝕嚴重， 且腐蝕嚴重區沿鉆桿軸向呈帶狀分布， 推斷鉆桿曾在露天接觸地面存放很長時間， 接觸地面的一側由于介質的長期作用腐蝕嚴重。 斷裂位于靠近公扣端0.8～1 m處的加厚過渡區終了段， 此處內壁為薄厚過渡區， 因結構設計原因， 過渡不平緩， 井液容易滯留， 并形成渦流， 也易產生腐蝕。 鉆桿內外壁腐蝕坑的形成大大縮短了裂紋的萌生時間， 從而使鉆桿的使用壽命大幅度降低。

入庫河道中豐富的生物物種，形成了一個復雜、動態平衡的生態系統。多樣的生物物種和適宜的河道環境（水環境、地形條件、水文條件等）是河流系統可持續發展的基本要素條件。因此，入庫河道生態建設需綜合考慮生物的棲息條件，為生物生長、發育、捕食、繁殖等創造適宜條件，保護和恢復入庫河道生態系統的完整性和多樣性，從而維持河道的可持續發展需要。

陽極： Fe -2e→Fe

總之， 該鉆桿在含O、 Cl

、 Ca

、 Mg

的介質中發生腐蝕， 腐蝕原理為吸氧腐蝕， Ca

、 Mg

引起垢下縫隙腐蝕， Cl

加速鉆桿表面的局部腐蝕。

總反應式： 2Fe+O

+2H

O →2Fe

+4OH

伴隨就業問題的凸顯，大學生在就業中的焦慮問題越越來越普遍。就業焦慮按照在就業問題上的具體表現分為：沖動型（高焦慮階段高效能）、無助型（低焦慮階段、效能低）、穩健型（低焦慮階段 高效能）、冷漠型（低焦慮階段、低效能）

FeO(OH)失水后形成紅棕色Fe

O

， Fe

O

繼續氧化生成Fe

O

（FeFe

O

）， 這些腐蝕產物附著在鉆桿表面， 疏松多孔， 起不到保護作用。 溶解的氧、 Fe

和H

富集在腐蝕坑內， 使坑內呈酸性。 為維持電荷平衡， 泥漿中的Cl

通過 “電泳”作用進入坑內， 由于Cl

半徑較小， 穿透力強，極易穿過腐蝕產物到達金屬表面， 破壞鉆桿表面腐蝕產物的結構， 阻礙腐蝕產物膜形成， 促進膜下點蝕向材料內部深入， 產生小孔腐蝕。 小孔腐蝕對材料的破壞遠比普通的氧腐蝕要大得多， 氯的增加， 會使腐蝕速率增加

。 該鉆桿多處腐蝕產物能譜分析結果顯示， Cl

含量高達3%以上， 大大促進了鉆桿表面的局部腐蝕的速率。

F

+水解： 4Fe

+ O

+6 H

O→4FeO（OH）+8H

鉆桿表面發生如下電化學腐蝕：

另外， 試樣表面尤其外表面垢層較厚， 能譜分析有大量Ca、 Mg 元素存在， 它們以離子的形式存在于工況中， Ca

、 Mg

在鋼材表面沉積結垢，構成縫隙腐蝕條件， 進一步誘發并加速腐蝕

。

陰極： O

+2H

O+4e →4OH

3.2 應力因素

鉆桿在井下受拉、 壓、 扭轉、 彎曲等復雜的交變應力作用， 受重力因素和作業性質的影響， 軸向拉應力和彎曲應力是鉆桿承受的主要應力。 鉆桿管壁腐蝕坑形成之后， 坑內應力集中， 在軸向拉應力或彎曲應力的作用下， 裂紋在腐蝕坑內萌生， 形成多條垂直于鉆桿軸向的裂紋。 隨著應力的增加， 裂紋沿管壁擴展， 當同一平面的兩條裂紋相遇時， 裂紋匯合并加速擴展； 當不同平面的兩條裂紋相遇時， 裂紋從一個平面跳躍到另一個平面， 形成前面所述的臺階狀斷口形貌

。

另外， 該鉆桿斷裂發生在距公扣管端約為0.8～1 m 位置處， 這里是鉆桿的加厚過渡區， 是鉆桿的薄弱環節。 由于鉆桿接頭和加厚部分剛性高、 不易彎曲， 鉆桿的薄厚過渡區就成了最易彎曲的地方。 當鉆桿到達“狗腿子” 井段時， 加厚過渡區截面突變， 加之過渡區腐蝕嚴重， 在交變應力和腐蝕介質雙重作用下， 腐蝕坑迅速加深，裂紋萌生并迅速擴展。

綜上所述， 該鉆桿斷裂是交變應力和腐蝕介質共同作用的結果， 在裂紋萌生和擴展初期， 由于應力較低， 腐蝕起主導作用； 隨著裂紋擴展， 鉆桿受力面減小， 應力增加， 應力和腐蝕共同作用； 直到剩余壁厚不能承受載荷， 應力起主導作用， 鉆桿斷裂失效。 腐蝕坑的提前生成， 大大縮短了鉆桿裂紋的萌生壽命， 從而降低了鉆桿的使用壽命。

4 結論及建議

（1） 鉆桿理化性能檢測結果滿足API SPEC 5DP 《鉆桿產品規范》 的要求。

（2） 鉆桿失效為交變應力和腐蝕介質共同作用引起的腐蝕疲勞斷裂。

（3） 建議鉆桿下井使用完后徹底清洗， 并加強鉆桿存儲期間的防護。

新的個稅法已經明確子女教育、繼續教育、大病醫療、普通住房貸款利息、住房租金、贍養老人支出6項專項附加扣除，而扣除的具體范圍和標準還在制定中，向社會公開征求意見后依法于明年1月1日起實施。

（4） 下井前對鉆桿進行無損檢測， 避免失效事故的發生。

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