摘 要:某鉆井工具接頭在短期使用后出現周向裂紋,采用化學成分分析、硬度測試、金相檢驗 等方法對其開裂原因進行了分析。結果表明:該鉆井工具接頭的裂紋為疲勞裂紋,裂紋萌生于內螺 紋接頭與桿柱體最臨近的螺紋牙型底部,在周期性疲勞載荷的作用下,裂紋沿螺紋牙型底部周向擴 展,同時向外壁方向擴展,最終外壁發(fā)生開裂。
關鍵詞:鉆井工具接頭;內螺紋;疲勞裂紋;應力集中
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)04-0073-04
鉆井工具接頭通過螺紋將鉆桿、鉆柱構件及其 他鉆井裝置連接在一起,用于傳遞力和扭矩,鉆井工 具接頭是鉆井介質的循環(huán)傳輸通道,在石油勘探領 域起著重要的作用。鉆井工具接頭的服役條件惡 劣,需要承受拉壓、彎曲、扭轉、振動等多種載荷的復 合作用,在使用過程中一旦發(fā)生失效,將嚴重影響鉆 井進度并增加鉆井成本[1]。隨著我國能源需求量的 增加和國家保障能源安全戰(zhàn)略要求的實施,油氣勘 探力度不斷加大,隨之而來的鉆具失效事故也時常 發(fā)生[2-3]。分析鉆具失效的原因,采取有效措施提高 鉆柱構件的壽命,對保障鉆井工作安全有序的進行 具有十分重要的意義。
某 鉆 井 工 具 接 頭 外 徑 為 89 mm,長 度 為 200mm,一端是外螺紋接頭,另一端是內螺紋接頭, 由無磁棒料經機械加工制成。該接頭的內螺紋處多 發(fā)疲勞裂紋或斷裂失效,嚴重影響了作業(yè)進度。筆 者采用化學成分分析、硬度測試、金相檢驗等方法對 某典型鉆井工具接頭的開裂原因進行了分析,結果 可為提高該類接頭的使用壽命提供借鑒。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
鉆井工具接頭截取試樣的宏觀形貌如圖 1 所 示,該接頭在斷裂時,已經間斷地使用一個月。對試 樣進行目視檢測,在其外表面和內螺紋處均可觀察 到明顯的開裂,開裂處位于內螺紋最后一牙的牙型 底部。對其進行滲透檢測,結果如圖2所示,從外表 面測量,其裂紋長度為50mm,從內部測量,開裂長 度大于外表面顯示的裂紋長度。
將試樣從裂紋兩端沿縱向鋸開,斷口的宏觀形 貌如圖3所示,由圖3可知,斷口附近無明顯的塑性 變形,整個斷面平坦,局部可見半圓形及弧形貝殼條 紋線,靠近內表面一側可見多處明顯的撕裂臺階,可 初步判斷裂紋起源于內表面。
將試樣從圖3所示的 A 截面處截取縱向剖面, 放大觀察,其形貌如圖4所示?？梢娐菁y牙型底部 有一條尚未穿透至外表面的裂紋,該裂紋平直,未見 明顯的分支裂紋。
1.2 化學成分分析
在斷口附近取樣,依據 GB/T11170—2008《不銹 鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī) 法)》、GB/T20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣 體熔融熱導法(常規(guī)方法)》標準,用直讀光譜儀和氧氮 分析儀對其成分進行分析,結果如表1所示。
1.3 布氏硬度測試
在斷口附近取樣,依據 ASTM E10—2018 《金 屬材料布氏硬度標準試驗方法》,用布氏硬度計對其 橫截面取3點進行布氏硬度測試,硬度測試結果均 為363HBW,符合產品技術條件要求。
1.4 金相檢驗
在斷口附近取樣進行金相檢驗,結果如圖5所 示,由圖5可知,斷口附近的顯微組織為奧氏體。測 定其晶粒度為7.0級,非金屬夾雜物等級為 A0.5, B0.5,D0.5,未見異常組織。
對圖4所示的縱剖面裂紋部位進行金相檢驗,結果如圖6所示。由圖6可知,裂紋起源于螺紋根 部,由內向外擴展,為穿晶開裂,裂紋平直無分叉,根 部較粗,尖端較細,裂紋兩側組織與其他區(qū)域組織相 同,裂紋內未見異物填充。
1.5 斷口分析
用超景深三維光學顯微鏡對斷口進行觀察,斷 口的低倍形貌如圖7所示。內表面發(fā)現有裂紋源區(qū) [見圖7a)],源區(qū)有典型的疲勞源撕裂臺階,為多源 開裂,內表面附近有多處沖刷痕跡,導致形貌特征不 易辨識,擴展區(qū)域可辨識出弧形條紋[見圖 7b)]。 用掃描電子顯微鏡對裂紋源區(qū)附近的斷口進行檢 驗,可見疲勞輝紋形貌(見圖8)。
2 分析與討論
斷口整體呈脆性斷裂特征,斷面平坦且呈深灰 色,附近無明顯的塑性變形,擴展區(qū)可見半圓形及弧 形貝殼條紋線,內表面發(fā)現裂紋源區(qū),附近有多處明 顯的撕裂臺階,裂紋源區(qū)附近斷口處存在明顯的疲 勞輝紋,為典型的多源疲勞斷裂。斷口分析表明,裂 紋萌生于內螺紋接頭內部最后一牙螺紋牙型底部與 管壁交匯的倒角處,在周期性載荷應力作用下,萌生 了多處疲勞裂紋,在使用過程中,裂紋擴展并匯聚形 成一段穿透至外壁的開裂。
通過宏觀分析可知,開裂位置是內螺紋接頭的 危險截面,此處承受的載荷與整個工具接頭相同,但 橫截面面積明顯小于其緊鄰的柱體部位橫截面積。 鉆井工具接頭在工作中主要承受拉伸、扭轉、彎曲以 及振動等多種載荷,危險截面處的實際承載能力要 低于其他部位[4]。在交變軸向拉伸載荷和彎曲載荷 的不斷作用下,相比于工具接頭其他部位,特別是厚 度最大的桿柱體部位,內螺紋的危險截面處更容易 萌生裂紋[5]。根據鉆井工具接頭應力分析相關文獻 及失效分析案例研究[6-7],距臺肩最近的1~2扣完 整螺紋齒底根部承受的應力最大,是鉆柱螺紋斷裂 失效的多發(fā)位置。
GB/T24956—2010《石油天然氣工業(yè) 鉆柱設 計和操作限度的推薦作法》中列出了鉆柱強度設計 和校核的公式,利用式(1)和圖4的測量結果,對比 危險截面處與桿柱體的承載能力。
式中:P 為最小拉伸載荷;Ym 為材料的最小屈服強 度;A 為管體的橫截面積。
根據圖4的測量結果,計算得出危險截面處的 最小拉伸載荷僅為桿柱體的45%。
最小抗扭強度的計算公式如式(2)所示。
式中:Q 為最小抗扭強度;J 為極慣性矩;D 為桿柱 體外徑。
根據圖4的測量結果,計算得出危險截面處的 最小抗扭強度為桿柱體的51%。
在鉆井工作中,工具接頭內螺紋和外螺紋為嚙 合狀態(tài),用彎曲強度比來衡量內螺紋與外螺紋最后 嚙合處的抗彎能力。彎曲強度比的計算公式如式 (3)所示。
式中:BSR 為彎 曲 強 度 比;ROD 為 內 外 螺 紋 連 接 外 徑;b 為外螺紋連接端面處內螺紋連接的螺紋內徑; R 為外螺紋連接臺肩后緊鄰的外螺紋牙型底部直 徑;RID 為內外螺紋連接內徑。
根據圖4測量數據進行計算,因沒有試樣外螺紋 端數據,故筆者采用不考慮螺紋錐度的方法進行簡化 計算,將R 按照內螺紋最后一牙的頂徑取值,計算得 出BSR 約為1.1,該估算結果理論上會大于用實際測 量值得出的計算結果。GB/T29169—2012 《石油天 然氣工業(yè) 在用鉆柱構件的檢驗和分級》中推薦的適 用于該試樣規(guī)格的可接受彎曲強度比為1.90~2.50。 該試樣的彎曲強度比遠低于標準推薦值的下限,彎曲 強度比越小表示內螺紋的抗彎能力越弱,內螺紋連接 脹扣、開裂,內螺紋最后嚙合處發(fā)生疲勞裂紋和內螺 紋根部斷裂的概率也就越大[8-9]。
當工件結構有變化時,局部應力高于工件的平 均應力,成為應力集中處,容易導致微裂紋的萌生與 擴展。在加工了螺紋的工件上,應力在螺紋根部截 面突變處形成了應力集中[10]。隨著工件材料強度 的提高,相同的結構中應力集中和裂紋擴展的敏感 性也隨之加大,應力集中帶來的問題也更為明顯。 在鉆井過程中,螺紋承受著復雜的交變應力,在循環(huán) 載荷的作用下,應力集中處首先產生微區(qū)塑性變形, 隨著載荷的增加,微裂紋在該薄弱處萌生并快速擴 展為宏觀可見的裂紋[11]。根據圖6a)測量螺紋根部 的加工圓角半徑為0.2 mm,GB/T22512.2—2008 《石油天然氣工業(yè) 旋轉鉆井設備 第2部分:旋轉臺 肩式螺紋連接的加工與測量》中規(guī)定了螺紋牙型底部圓角半徑為(0.38±0.20)mm?？梢?此處圓角符 合石油螺紋標準中梯形螺紋牙型底部圓角的通用加 工要求,但接近要求值下限,此處較小的圓角半徑對 于該工件結構來說,應力集中問題突出。
3 結論及建議
(1)裂紋萌生于內螺紋最后一牙螺紋牙型底部 與管壁的交匯處,此倒角處至接頭外壁的厚度遠小 于臨近的桿柱體壁厚,在工作中處于顯著的應力集 中狀態(tài),在周期性載荷的作用下,該夾角處萌生多處 疲勞裂紋,在使用過程中裂紋向周向和外表面擴展, 最終工具接頭發(fā)生開裂。
(2)工具接頭危險截面處,螺紋牙型底部距離 外表面的厚度遠低于桿柱體厚度,其抗拉伸、扭轉和 彎曲的能力較其他部位差別過大。通過參照鉆柱設 計校核標準優(yōu)化結構設計,可提高危險截面處的承 載能力。螺紋牙型底部的應力集中對于螺紋接頭結 構是普遍存在的,通過加強螺紋加工表面質量控制, 可使工具接頭的使用性能得到改善;選擇合適的局 部強化方式提高應力集中處的抗疲勞強度,可避免 發(fā)生早期疲勞失效。
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