鉆桿焊區斷裂原因分析及解決方案

支鵬鵬，馬韋華，張 偉

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿是兩端帶有螺紋、內部中空的合金鋼管，在鉆井生產中負責運送泥漿到鉆頭，并帶出鉆井過程中粉碎的巖石、雜物等。鉆桿常處于高溫、高壓、高腐蝕的工作環境，因此要求鉆桿具有很高的強度和韌性。

鉆桿是由接頭和管體通過摩擦旋轉壓接在一起的，在工藝方面對鉆桿的焊區（焊縫的熱影響區）有著特殊的要求，需要對焊區進行拉伸、沖擊、橫向彎曲試驗等：拉伸試驗可以直觀反映出焊縫強度，沖擊試驗體現焊縫韌性，而彎曲試驗則可以體現出接頭與管體兩種材料經過摩擦焊接后的融合性。

1 焊區機械性能試驗異常

渤海能克鉆桿有限公司生產的材料為S135 鋼級、外徑為127 mm 的鉆桿，其焊縫做橫向側彎試驗時，其中1 組試樣突然發生斷裂。進行彎曲試驗時，先對焊線部位緩慢施加的垂直壓力，同時對試樣兩側施加水平推力，當試塊彎曲至180°時試驗完成（圖1）。

圖1 彎曲試樣

根據API 5DP—2020《鉆桿產品規范》的要求，彎曲試驗中試樣彎曲達到180°后，焊區內不應有超過1 mm 的裂紋，而本次實驗中試樣卻發生了斷裂，如此明顯的試樣斷裂極不正常（圖2）。該批所有焊縫沖擊試驗數據見表1，對比后可以看出第4 組試樣沖擊值遠低于標準要求（-20 ℃，≥65 J）。而對該焊縫進行的2 組復取試驗結果顯示沖擊試驗和橫向彎曲試驗合格，說明該批次焊縫存在部分區域焊接不充分的現象，即接頭材料與管體材料經過摩擦壓接后內部沒有完全熔焊在一起。

圖2 斷裂后彎曲試樣

表1 焊縫沖擊試驗數據

2 斷裂原因分析

2.1 淬火裂紋分析

生產過程中，鉆桿焊接完后需要對焊區進行高溫淬火和回火，以降低焊縫的硬度、提高韌性。引起淬火裂紋的原因有很多，如淬火溫度過高、保溫時間過長，淬火冷卻方式不合理，沒有及時進行回火等。鉆桿壓接和焊后熱處理工藝是成熟工藝，生產過程中也嚴格執行了工藝要求，查閱熱處理相關參數及溫度曲線后，并未發現參數錯誤或溫度異常波動等現象。同時，摩擦壓接及熱處理后的鉆桿焊接區域還要經過100%的超聲波無損探傷檢測，如果存在淬火裂紋則超聲波檢測時會有傷波體現，對超聲波檢測儀的波形記錄進行追溯后仍未發現異常。根據經驗判斷，試樣斷裂不是淬火裂紋引起的，而是焊接后材料本身存在問題。初步懷疑試樣內部焊縫處存在夾雜物，但是由于形狀、位置等諸多原因，在超聲波檢測中很難發現夾雜物進而造成漏檢。

2.2 焊區夾雜物分析

由于初步懷疑焊縫材料出現問題，所以需要對焊縫取樣進行金相實驗（圖3）。

圖3 金相試塊

金相試驗通過顯微鏡對焊縫及其附近的金屬組織進行觀察，正常的焊縫組織應該是均勻的的回火索氏體，晶粒度細小，能達到8 級以上。對試樣的斷面進行金相試驗，在顯微鏡下觀察，可以看出組織存在不正常的黑色點狀夾雜物，該黑色點狀物還伴有不易為超聲波檢測發現的微小裂紋（圖4）。

圖4 金相分析

利用光譜儀對其中兩處元素進行分析，顯示測試點包含C、O、Te 元素，因此確定氧化雜質是試樣斷裂的原因：①這些氧化物雜質會使鉆桿焊縫處的母材融合不充分；②在經過焊區熱處理時，這些雜質再加上熱脹冷縮因素，使焊區內部產生裂紋的可能性增加，從而會破壞焊區的機械性能，導致焊區的沖擊韌性下降、焊縫融合不充分，最終造成彎曲試驗時試樣發生斷裂。

3 解決方案

經調查分析，夾雜物是在焊接前就存在，焊接過程中融合到焊縫中的。管體在焊接前需要對焊接端面進行車削，不存在夾雜物，只有成品接頭在焊接前未打磨端面，而且接頭還經過了磷化處理，導致接頭摩擦壓接面殘留有氧化皮和磷化層。根據摩擦壓接的工藝評要求，壓接流量為18～22 mm（圖5）。

圖5 摩擦壓接曲線

從圖5 中可以看出，實驗焊縫的壓接流量已經達到22 mm的上限值，仍沒有將全部雜質在壓接過程中擠出，導致其混入焊縫，影響了焊縫性能。因此決定在摩擦壓接前對部分接頭端面進行機加工，車削掉接頭摩擦壓接面的雜質與磷化層，使其完全露出金屬底色后再進行壓接。壓接熱處理后對焊縫取樣進行試驗，與未進行端面車削的焊縫進行對比（圖6）。

圖6 壓接端面的焊縫沖擊值對比

從對比實驗結果可以看出，清理接頭端面再進行壓接后的焊縫，其沖擊功得到提升，提高了焊縫韌性。彎曲試驗也表明，焊縫壓彎角度達到180°且未發生斷裂（圖7）。

圖7 清理壓接端面的焊縫彎曲試樣

4 結論

通過實驗分析摩擦壓接前端面雜質混入焊縫，雖然對焊縫的強度影響不大，但會大大降低焊縫韌性，是鉆桿焊縫斷裂的主要原因。通過壓接前端面清理可以很好地提高焊縫性能，避免斷裂事故的發生。