φ127 mm鉆桿外螺紋接頭及焊區(qū)部位縮頸失效分析

李亞敏，張然，陳靜，王顯林，王西華，趙文巖

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

0 引言

石油鉆桿作為連接地表鉆機(jī)和井底磨削鉆頭的關(guān)鍵鉆井工具，在油氣藏開發(fā)鉆井過(guò)程中承受巨大的拉力、內(nèi)外壓、轉(zhuǎn)矩、彎曲和振動(dòng)，鉆桿的失效直接影響鉆井安全及鉆井效率。石油鉆桿是由鉆桿接頭和鉆桿管體通過(guò)摩擦焊接工藝生產(chǎn)制造而成。石油鉆桿失效多發(fā)生在鉆桿接頭螺紋及管體內(nèi)過(guò)渡帶區(qū)域，在外螺紋接頭及摩擦焊接部位出現(xiàn)縮徑失效極為罕見，因此，本文結(jié)合鉆桿服役工況及相關(guān)資料對(duì)一支縮徑的φ127 mm規(guī)格鉆桿進(jìn)行了失效原因分析。

1 宏觀分析

失效鉆桿樣品如圖1所示，鉆桿接頭的密封臺(tái)肩面、本體、凹槽、斜坡等部位呈光亮特征，有明顯的摩擦痕跡。失效鉆桿整體被拉長(zhǎng)變形，變形區(qū)域主要集中在接頭及摩擦焊接部位，試樣接頭端面至密封面長(zhǎng)為130 mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為114.3 mm，拉長(zhǎng)14%，密封臺(tái)肩面被擠壓變形；大鉗區(qū)長(zhǎng)度為300 mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為254 mm，拉長(zhǎng)18%。失效樣品的接頭和管體均存在蠕變及縮徑現(xiàn)象，接頭凹槽部位存在黏著物，如圖1、圖3所示，使用游標(biāo)卡尺對(duì)失效樣品的外徑和內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，接頭本體最大縮徑率為19.08%，摩擦焊接區(qū)域最大縮徑率為14.04%，管體最大縮徑率為5.25%。

圖1 失效試樣宏觀尺寸測(cè)量

圖2 失效試樣剖面宏觀形貌

圖3 外螺紋接頭大鉗區(qū)宏觀形貌

2 磁粉檢測(cè)分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 709-2015《磁粉檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)指南》，使用磁粉探傷儀對(duì)失效樣品外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。磁粉檢測(cè)結(jié)果顯示接頭共存在6 條裂紋，1#、4# 裂紋位于接頭大鉗夾持部位，且裂紋擴(kuò)展至接頭斜坡部位；2#裂紋靠近焊縫接頭側(cè)部位；3#、5#、6#裂紋位于接頭大鉗夾持部位，其中3#和6#裂紋擴(kuò)展至臺(tái)肩密封面；3#裂紋軸向最長(zhǎng)為220 mm。

表1 磁粉檢測(cè)結(jié)果 mm

3 理化性能分析

3.1 化學(xué)成分分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A751-20《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)》，使用直讀光譜儀對(duì)失效鉆桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果為完全符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 3#裂紋磁粉檢測(cè)（其中一條裂紋）

表2 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析 %

3.2 拉伸性能分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370-20《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，使用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，鉆桿管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求，鉆桿外螺紋接頭、外螺紋接頭側(cè)焊區(qū)、裂紋附近的拉伸試驗(yàn)結(jié)果均不符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3 夏比沖擊性能分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370-20《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，使用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)失效試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，鉆桿管體夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求，鉆桿外螺紋接頭、外螺紋接頭側(cè)焊區(qū)、裂紋附近的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果均不符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 金相組織分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E112-13《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》、ASTM E45-18a《鋼中夾雜物含量的評(píng)定方法》、ASTM E3-11（2017）《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》，使用激光共聚焦顯微鏡對(duì)失效鉆桿進(jìn)行非金屬夾渣物、組織分析、晶粒度評(píng)定，結(jié)果如表5、圖5所示。從表5和圖5中可以看出，接頭組織主要為馬氏體組織，靠近焊縫接頭的馬氏體組織含量減少，回火索氏體組織逐漸增加。焊縫管體側(cè)出現(xiàn)鐵素體組織、貝氏體組織、珠光體組織，遠(yuǎn)離焊縫的管體組織為回火索氏體組織。

表5 金相分析結(jié)果

圖5 各部位金相組織

3.5 裂紋金相分析

使用激光共聚焦顯微鏡對(duì)1#-1裂紋試樣、1#-2裂紋試樣剖面進(jìn)行裂紋金相分析，裂紋試樣取樣位置如圖6所示。

圖6 裂紋試樣取樣位置示意圖

1#-1、1#-2試樣裂紋形貌及其周圍組織如圖7所示，裂紋金相分析結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，裂紋起源于接頭外表面，裂紋呈彎曲折向內(nèi)表面擴(kuò)展。試樣外壁附著一層黑色黏著物。裂紋試樣基體外表面存在一層“白亮層”馬氏體組織，試樣基體以針狀馬氏體組織為主。管體縮徑處組織為鐵素體組織+珠光體組織。

圖7 1#-1 試樣裂紋形貌及其周圍組織

表6 裂紋金相分析結(jié)果

3.6 黏著物能譜分析

使用能譜儀對(duì)黏著物進(jìn)行分析，如圖8 所示，結(jié)果見表7。從圖8和表7中可以看出，黑色黏著物的主要成分為Si和O元素，并含有部分Ca、Cr、Mn等元素，黏著物內(nèi)白色顆粒的主要成分為Fe，與基體材料成分相近。因此，黑色黏著物主要為二氧化硅和硅酸鹽等，黏著物內(nèi)的白色顆粒為接頭基體上剝落的金屬顆粒。

圖8 黏著物能譜分析曲線

表7 黏著物能譜分析結(jié)果

3.7 硬度分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E10-18《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)方法》，使用布氏硬度計(jì)對(duì)接頭1#-1裂紋試樣和管體縮徑處試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。從表8中可以看出，接頭1#-1裂紋試樣截面的布氏硬度不符合API標(biāo)準(zhǔn)要求，布氏硬度平均值為519 HBW。管體縮徑處布氏硬度平均值為251 HBW。

表8 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HBW

4 結(jié)果分析與討論

由宏觀分析可知，該試樣外表面光亮，有明顯的摩擦痕跡。在接頭凹槽內(nèi)存在黑色黏著物，能譜分析結(jié)果表明，黑色黏著物主要為二氧化硅和硅酸鹽，并且黏著物內(nèi)包裹著鉆桿接頭基體上磨損脫落的金屬顆粒。

由幾何尺寸測(cè)量結(jié)果可知，鉆桿接頭本體、接頭焊頸及管體均存在塑性變形和縮徑現(xiàn)象，接頭端面至密封面長(zhǎng)為130 mm，拉長(zhǎng)14%（設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為114.3 mm），接頭本體長(zhǎng)為300 mm，拉長(zhǎng)18%（設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為254 mm）。接頭本體最大縮徑率為19.08%，焊頸最大縮徑率為14.04%，管體最大縮徑率為5.25%。

由磁粉檢測(cè)結(jié)果可知，鉆桿接頭存在6 條裂紋，1#、4#裂紋位于接頭本體部位，且裂紋擴(kuò)展至接頭斜坡部位。3#、5#、6#裂紋位于接頭本體部位，其中3#和6#裂紋擴(kuò)展至臺(tái)肩密封面。2#裂紋位于接頭焊徑部位。

由理化試驗(yàn)結(jié)果可知，遠(yuǎn)離裂紋和縮徑部位的管體的化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、金相分析結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭的化學(xué)成分分析結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭及焊縫的拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果異常。

由金相分析結(jié)果可知，接頭組織主要為馬氏體組織，靠近焊縫接頭的馬氏體組織含量減少，回火索氏體組織逐漸增加。焊縫管體側(cè)出現(xiàn)鐵素體組織、貝氏體組織、珠光體組織，遠(yuǎn)離焊縫的管體組織為回火索氏體組織。這與接頭拉伸試驗(yàn)未到屈服點(diǎn)就斷裂和夏比沖擊吸收能量低的結(jié)果相符合。

由布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果可知，接頭裂紋試樣的布氏硬度高于管體縮徑處的硬度。接頭裂紋試樣截面的布氏硬度平均值為519 HBW，管體縮徑處布氏硬度平均值為251 HBW。這與裂紋金相分析結(jié)果一致，裂紋起源于接頭外表面，裂紋呈彎曲折向內(nèi)表面擴(kuò)展。裂紋基體外表面存在一層“白亮層”馬氏體組織，接頭基體以針狀馬氏體組織為主。管體縮徑部位組織為鐵素體組織和珠光體組織。

從現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)調(diào)研信息可知，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)開始階段出現(xiàn)間斷性遇阻，鉆井巖屑在外螺紋接頭35°臺(tái)肩面附近堆積，隨著堆積的巖屑增多，直接堵塞鉆井液循環(huán)通道。鉆井過(guò)程中在拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合加載下，鉆桿外螺紋接頭及焊區(qū)部位與巖屑之間發(fā)生劇烈摩擦，生成的大量摩擦熱使得接頭及焊區(qū)部位溫度迅速升高，處于高溫部位的材質(zhì)發(fā)生塑性拉長(zhǎng)形變，接頭外徑、內(nèi)徑迅速減小，從而導(dǎo)致鉆桿接頭及焊區(qū)部位出現(xiàn)縮徑失效。在泥漿的冷卻作用下使得接頭處于高溫奧氏體狀態(tài)的材質(zhì)發(fā)生淬火作用，形成大量馬氏體組織，硬脆性增加，導(dǎo)致外螺紋接頭產(chǎn)生裂紋。

5 結(jié)論

1）遠(yuǎn)離裂紋和縮徑部位的管體的化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、金相分析結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭的化學(xué)成分分析結(jié)果符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）鉆井過(guò)程中巖屑在外螺紋接頭35°臺(tái)肩面附近堆積，隨著堆積的巖屑增多，直接堵塞鉆井液循環(huán)通道。鉆井過(guò)程中在拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合加載下，鉆桿外螺紋接頭及焊區(qū)部位與巖屑之間發(fā)生劇烈摩擦，生成的大量摩擦熱使得接頭及焊區(qū)部位溫度迅速升高，處于高溫部位的材質(zhì)發(fā)生塑性拉長(zhǎng)形變，接頭外徑、內(nèi)徑迅速減小，從而導(dǎo)致鉆桿接頭及焊區(qū)部位出現(xiàn)縮徑失效。