連續油管水力振蕩器斷裂失效分析*

1 概述

連續油管由于外徑小、柔性大，且在鉆井下入過程中摩擦力過大，易產生屈曲和螺旋形變，從而影響管子下入深度。水力振蕩器是一種新型的井下工具，通過自身產生的軸向振動提高下入過程中鉆壓傳遞的有效性，提高工具下入深度及鉆磨效率

。水力振蕩器由動力部分、閥門和軸承系統、振蕩短節組成，其上部連接鉆桿，下部連接鉆柱或鉆頭。工作時，動力部分由液體驅動內在螺桿做旋轉運動，帶動其下端閥片做往復運動；閥門和軸承系統，通過一對閥門做周期性相對運動，將流經動力部分的部分液體能量轉化為壓力脈沖；振蕩短節有一個對外密封的芯軸，芯軸在壓力脈沖作用下往復運動，從而帶動工具產生軸向振動

。工作中，水力振蕩器常發生斷裂失效現象，不但影響正常作業，還增加了工具的更換成本和打撈成本，縮短了連續油管使用壽命。

某油田連續油管水力振蒎器在工作到第三口井鉆磨結束后，起鉆發生斷裂，該水力振蕩器結構如圖1所示。斷裂位于水力振蕩器定子下端內螺紋處，工作時長90 h，工作井為水平井。使用時，工具振動頻率10～15次/s，油管內排量400～500 L/min，內部水壓2 MPa，工況溫度90～100℃。定子材質為40CrNiMoA，設計材料熱處理后硬度為36HRC～40HRC，其他理化性能執行企業標準。本研究以失效水力振蕩器定子為研究對象，通過無損檢測、理化性能檢驗及斷口分析等方法，尋找失效原因，預防和減少此類事故發生。

2 失效樣品檢測

2.1 宏觀檢驗

水力振蕩器定子失效樣品如圖2所示，失效樣管干凈，壁厚均勻，未發生明顯塑性變形，為脆性斷裂。斷口沿螺紋呈臺階狀斷裂，臺階上斷面及臺階下斷面均比較平齊。下斷面位于定子內螺紋第1扣處，斷口表面光亮，磨損嚴重，為最先起裂區。上斷面位于螺紋第6扣處，斷口磨損較輕，并可見起裂源，為第二起裂區；兩邊臺階為最后斷裂區。也就是說，樣品分別沿管內壁第1、第6個內螺紋的根部起裂，向外壁及兩邊擴展至斷裂。另外，樣品有些部位的內螺紋變薄甚至缺損，螺紋根部有磨損和輕微腐蝕現象。

2.2 無損檢測

依據NB/T 47013.5《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢驗》對失效樣管進行滲透檢驗，發現試樣表面有數條疲勞裂紋，同時有長度＞6 mm的線性缺陷和直徑＞6 mm的圓形缺陷，均為不合格缺陷。分析認為，作業中樣管受交變應力作用，表面易產生疲勞損傷，因此這些缺陷大部分是在使用過程中形成的。缺陷檢測結果見表1和圖3。

2.3 化學成分

在失效樣品上取樣進行化學成分分析，檢測結果見表2。通過表2可以看出，失效樣管化學成分滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對40CrNiMoA的要求，且S、P含量未超過設計要求。

2.4 拉伸性能

定子下部連接馬達，馬達產生動力，使整個水力振蕩器產生軸向往復振動，定子受交變應力作用。螺紋嚙合時，主要是前7個螺紋受力，且第1扣受力最大，約占整個螺紋受力的30%，以后每扣受力呈非線性遞減

。螺紋根部相當于自加工缺陷，此處有較大的應力集中，因而第1扣螺紋根部所受的實際應力遠大于其他部位。另外，失效樣品斷口分析結果顯示，螺紋底部有大量的軸向分布的沖蝕痕跡，這些沖蝕坑也容易產生應力集中，促使裂紋源形成。因此，定子斷裂發生在內螺紋根部，且第1扣根部為第一起裂源。

2.5 沖擊性能

在失效樣品上截取一組2.5 mm×10 mm×55 mm規格的沖擊試樣，開V形缺口，使用示波沖擊試驗機依據ASTMA370-20《鋼產品機械性能測試的方法和定義》進行沖擊試驗，試驗結果見表4。試驗結果滿足標準要求。

2.6 金相及硬度檢驗

隨著教學方法的不斷發展，傳統的教學方法已經不符合了時代發展的要求，因此在現代高中語文散文閱讀教學中不斷開展教學改革。但是，在教學改革過程中，仍然存在許多阻礙高中生審美標準和學習能力發展的問題。在目前的教學階段，許多語文教師仍然遵循傳統的教學方法來設定教學目標，并將專業知識作為學生的關鍵教授，使學生對整篇文章沒有一定的概念，課堂學習效率較低。

腦卒中屬臨床常見多發疾病，尤以缺血性腦卒中占比較高，致死率、致殘率較高[1]。動脈粥樣硬化被認為是缺血性腦卒中常見病因，隨著缺血性腦卒中發病機制研究的不斷深入，越來越多的學者認為，炎癥細胞及炎癥介質在缺血性腦卒中發生、發展中起到重要作用[2]。脂蛋白相關磷脂酶A2是一種新型炎癥標志物，其可將低密度脂蛋白中的氧化磷脂水解并生成溶血磷脂酰膽堿及氧化型游離脂肪酸，這些促炎性產物參與動脈粥樣硬化的起始、形成、發展以及斑塊破裂等階段[3-4]。本研究旨在探討急性缺血性腦卒中影響因素，分析脂蛋白相關磷脂酶A2與急性缺血性腦卒中發生的相關性?，F報道如下。

分析認為，定子受交變應力作用，在斷口A處第1扣螺紋根部的應力集中處產生疲勞損傷，裂紋萌生并擴展。與此同時，管內含砂流體沿裂紋擴展方向對斷口進行沖蝕，加速其破壞。當壁厚減薄到一定程度，定子受拉伸載荷作用發生斷裂失效。

2.7 斷口及能譜分析

在失效樣品上取斷口試樣，如圖6所示，經5%檸檬酸清洗，使用日立S－3700N型掃描電鏡觀察，發現斷口下斷面A處光滑圓潤，磨損比較嚴重，但仍然可見裂紋在起裂及擴展時形成的疲勞臺階，高倍觀察也可見磨損形貌，為含砂流體沖蝕形成，如圖7所示。上斷面B處起裂區沖蝕較輕，斷面被擠壓明顯，說明這個區域的裂紋源較A處形成的晚，也為疲勞裂紋；C、D處有明顯的疲勞臺階、撕裂棱以及沖蝕形貌，為斷口終斷區，如圖8所示。另外，定子內壁有些部位的螺紋變薄甚至缺損，螺紋底部有沿軸向分布的流體沖刷形貌，如圖9所示。對螺紋根部的殘留物進行能譜分析，分析位置如圖10所示，分析結果見表6。從分析結果可以看出，螺紋根部的殘留物主要有O、Al、Si等元素，與井液中的泥沙成分一致。

采用Durascan-70全自動顯微硬度試驗機，依據ASTM E92-17《金屬材料維氏及努氏硬度標準試驗方法》對失效樣管進行硬度檢測，測試位置如圖5所示，測試結果見表5。結果顯示，試樣最高硬度390HV

，最低硬度377HV

，平均硬度385HV

，滿足標準要求（360HV

~390HV

）。

3 綜合分析

定子是水力振蕩器的動力組成部分，工作時受交變應力及拉壓、扭轉、彎曲等復雜作用力，表面很容易產生缺陷，促使裂紋萌生。失效試樣滲透檢驗結果顯示，定子表面存在較多圓形、線性及疲勞裂紋等缺陷，這些缺陷大部分是作業過程中形成的。工作時，水力振蕩器一邊振蕩一邊隨鉆具向前鉆入，當前方鉆頭遇阻時，工具會向外提拉，再遇阻，再提拉，加載方式的不斷變換會對材料疲勞性能造成影響，從而產生表面損傷或缺陷，且材料的強度越高，對表面缺陷越敏感

。定子為40CrNiMoA高強度合金鋼，對表面的缺陷比較敏感，缺陷部位易成為裂紋源，引發斷裂失效。

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，分析結果如圖4所示。從圖4可以看出，試樣組織為回火索氏體，組織細小均勻，未見異常組織。

3.1 受力因素的影響

在失效樣品上截取長度210 mm的拉伸試樣，使用CMT5105電子萬能試驗機，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行拉伸試驗，試驗結果見表3。由表3可知，失效樣管拉伸性能滿足標準要求。

水力振蕩器的振蕩作用是在內外管之間的空腔內發生，腔內有含砂流體。作業時，水力振蕩器受交變應力及拉壓、扭轉、彎曲等作用力，裂紋在形成及擴展過程中，含砂流體對斷口不斷沖蝕，加速其破壞。

3.2 材料及加載過程的影響

經外觀檢驗、無損檢驗、理化檢驗及斷口分析，定子材料的理化性能符合設計要求；樣品表面存在圓形、線形及疲勞裂紋等缺陷；斷口是疲勞斷口，斷口上有大量沖蝕現象。

3.3 流體沖蝕的影響

實驗3 為了準確描述算法的并行性能，將預測數據擴展1 000,3 000倍后進行加速比實驗，并與文獻[12]和文獻[11]方法進行對比，得到的實驗結果如圖3所示。

綜上，水力振蕩器定子在交變應力和含砂流體沖蝕共同作用下產生疲勞+沖蝕缺陷，最終斷裂失效。

4 結論及建議

（1）水力振蕩器定子為疲勞斷裂失效，失效原因是交變應力和含砂流體沖蝕作用。

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（2）應重視水力振蕩器零部件在交變應力作用下的疲勞斷裂失效。建議適當選材，并通過熱處理方式提高材料的抗疲勞強度；提高工件表面光潔度，以減少應力集中；避免突然加載產生的過載損傷；工具使用完后應加強無損檢測，提前發現裂紋，以避免工具突然斷裂造成的不必要損失。

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