石油钻铤开裂失效分析.pdf

第 4期 总第 1 5 5期 2 0 0 9年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMAT1 0N No．4 Aug． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 4 0 1 3 8 0 3 石油钻铤开裂失效分析 薛卫 东 ，杨丽景。 ，卫英 慧 ，侯利锋 ，李大赵 1 ．太原 市明佳科技发展有限公 司，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．太原理工大学 材料科 学与工程学院，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘要 一根直径 为 1 5 9 mm的油田钻铤在使用时发生开裂，通过对失效钻铤进行化学成分分析、金相组织分 析、S E M 分析及力学性能测试等 ，研究了该钻铤的失效机制 。结果表 明该钻铤失效属于疲劳断裂破坏 ，疲 劳裂纹形成于钻铤内螺纹 消失处最后1个～2 个螺扣部位 ， 该处存在较大应力集 中， 同时单位 面积受力较大 ， 应 力状态复杂 ，使用过程 中容易萌生疲劳裂纹 ，最终导致裂纹的贯穿 。 关键词 钻铤 ；疲劳断裂；失效分析 中图分类号 T G1 1 1 ． 9 1 文献标识码 ；A 0 引言 石 油钻铤在钻 井过 程 中承受 的载 荷非 常复杂 ，特 别是钻铤 接头 ，同时承 受内压 、外压 、轴 向载荷 、弯 曲载荷及扭矩的作用u ] 。1 9 9 2年对全国油田深井钻柱 失 效总况 的统计结 果表 明 ，钻铤 的失效 频数 大致 占钻 柱总失效 的 4 8 ． 7 l_2 ] 。因此 ，研究 钻铤 服役环 境和失 效机理， 对提高钻铤使用寿命 ， 降低钻具失效频率， 减 小经济损失 ，具有 重要意义 。 1 试验方 法 从 靠 近钻 铤 开裂 部 位 取 样 ，磨 去 表 面层 后 采 用 C S 一9 0 1 B型碳硫分析仪和 I C P发射光谱仪对开裂钻 铤进 行化学成 分分 析 。 对 钻铤 取样经 研磨抛 光后 用 4 ％的硝 酸酒 精溶 液 腐蚀 ， 然后在 I e i z e MM6 金 相显微 镜上 进行非 金属夹 杂物 、晶粒 度 、金 相组织 观察 与评定 。 依 据 GB ／ T2 2 8 ～2 0 0 2标 准要求 ， 沿钻 铤轴 向取 3 个 同一周 向平行 试样 ，在 Z D M 一3 0万 能试验 机 上进 行 拉伸试 验 。 用 线 切 割 方 法在 钻 铤 开 裂 处取 样 ，通 过 J S M 一 6 7 0 0 F扫描电子显微镜观察开裂部位断 口形貌 。E D S 用于定量分析显微组织中不同区域的组成成分。 2试验 结果 2 ． 1 化 学成 分分析 失效钻铤化学成分 质量分数 分析结果见表 1 ， 符合 GB ／ T2 2 2 1 9 8 4 标准和相关企业标准的要求。 表 1 失效钻铤 的化学成分 元素 C Mn S P S l C r Mo F e 实测值 0 ． 4 5 1 ． 1 1 O ． O O 2 0 ． 0 l 0 0 ． 2 2 1 ． 1 3 0 ． 1 7 B a 1 ． 标准值[ 3 ] O ． 4 2 ～0 ． 4 8 0 ． 7 5 ～1 ． 2 0 ≤0 ． 0 3 0 ≤0 ． 0 3 0 0 ． 1 5 ～0 ． 3 0 0 ． 7 5 ～1 ． 2 O 0 ． 1 5 ～0 ． 2 5 B a l _ 2 ． 2显 微 组 织 分 析 钻铤失 效部位 金相组 织如 图 1所示 ，为 回火 索 氏 体少量铁素体。按 GB L O 5 6 1 2 0 0 5标准 ， 评定非金 属 夹 杂 物 为A0 ． 5 ／ B 0 ． 5 ／ C0 ． 5 ／ D 0 ． 5 ／ D S 0 ． 5 。 按 G B 6 3 9 4 --2 0 0 2标准 。评 定 晶粒度为 6 ． 5 级 。 2 ． 3 力 学性 能分析 钻 铤 试 样 力 学 性 能 测 试 结 果 见 表 2 ，符 合 GB ／ T2 2 8 2 0 0 2力学性 能要求 。 2 ． 4断 口分析 钻铤外表面裂纹清晰可见，位置距内螺纹接头端 面1 2 9 mm， 周向长度为1 4 6 mm。 在裂纹出现部位附近 将钻铤剖开 见图 2 ，发现裂纹正好位于内螺纹接头 最后1个～2个螺纹根部位置 ， 且存在多个裂纹源。 在 纵向剖面上可见明显的裂纹扩展停止线 箭头所指 。 断 口表面腐蚀虽较严重 ，但仍可以隐约看到辐射状花 样由内侧指向外侧 。断 口外侧平齐，是由于外力作用 而发生 的 瞬时断裂 区 。 扫描 电镜下观察到的断口形貌如图 3所示 ，断 口 *山西省学术带头人基金资助项 目；太原市科技项 目基金资助 0 8 1 2 1 0 1 8 收稿 日期 2 0 0 8 一 l l 一 1 8 ；修回 日期 2 0 0 9 0 2 一 i 8 作者简介 薛卫东 1 9 6 6 一 ． 男 ， 山西太原人 ． 工程师 ． 硕士， 主要从事金属材料失效分析研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 第 4期 薛卫 东，等 石油钻铤 开裂 失效 分析 1 3 9 裂纹源于内螺纹根部，存在起裂扩展痕迹以及疲劳辉 纹和二次裂纹。据此初步判断，在钻铤材质、热处理、 力学性能等指标正常的情况下 ， 失效可能是 由于设计、 加工等过程中的缺陷造成的疲劳破坏。 图 1 钻铤失效部位的金相组织 3讨论 3 ． 1 钻 铤 失效机 理 前述试验表明，钻铤的化学成分、力学性能、非 金属夹杂物级 别及晶粒度等指标都符合相关技术要 求 。 钻铤早 期 疲劳 损坏 的原 因 与钻铤 本身 的结构 形状 和应力状态有关。由于钻铤本体 比接头的刚性大，所 以服 役时 ，工作 应 力集 中在 接头 部位 ，特 别是在 外螺 纹接 头根 部 和内螺 纹接 头底 部 ，此处 内外 螺纹 啮合受 力较大，且可能存在沿轴向的间隙，导致受力横截面 面积 减小 ，所 以在 钻铤 服役 中 ，裂纹极 易从 内螺 纹根 部形 成 。在 交 变扭 转应 力作 用下 ，裂纹 扩 展并在 相邻 内螺纹根部形成裂纹，裂纹的扩展和新裂纹源的形成 同 时进行 ，因而螺 纹 内侧裂 纹 的长度要 大 于外侧 。 表 2钻铤失效部位试样的力学性能测试结果 屈服强度 R 抗拉强度 R 延伸率 截面收缩率 z 试样编号 M P a M Pa 1 9 2 5 1 0 4 0 1 6 ． 5 5 7 ． 0 2 9 2 5 1 0 4 0 1 6 ． 0 5 7 ． 0 【 3 9 3 0 l 0 4 0 1 6 ． O 5 7 ． 5 a 最后 1 ～2 扣螺 纹部位裂纹形貌 b 钻铤 断 口的宏 观形貌 图 2断 口剖 面 图 图 3 扫描 电镜下观察到的断 口形貌 在 S E M 观察过程中，发现断口大面积模糊不清 ， 没有清晰可辨的疲劳特征存在 ，这可能是 由于 ①多 疲 劳源形 成 的疲劳 裂纹 扩展 时会相 互 干涉 ；②钻 铤服 役时内部要注水和泥浆 ， 对断口有腐蚀和磨蚀作用 ； ③ 钻 铤受 力复 杂 ，除扭转 之外 ，还 有拉 压也 可能使 裂纹 扩展形 成 的疲劳 特征 不明显 。 综上所 述 ，失效 钻 铤属 于疲 劳破坏 ，裂 纹形成 于 钻 铤 内螺 纹消失 处 最后 1 个 ～ 2 个 螺扣 部位 ， 该处 单位 面积 所受应 力 较大 ，属 于钻铤 危 险截 面 。 3 ． 2 钻铤 螺 纹 失效原 因分 析 钻杆 和钻 铤都 属于 钻柱 类钻 具 。前 者 失效事 故 占 总 失 效 事 故 的 5 O ～ 6 O ，主 要 失 效 原 因是 腐 蚀 疲 劳Ⅲ． 而后者失效事故略低 。 在钻铤失效事故中， 螺纹 处 断 裂 是 主 要 的失 效 类 型 ， 占到 失 效 事 故 的7 0 ～ 8 O ％，失效 机理 为疲 劳 断裂 。从本 次钻 铤失 效情况 来 看 ，1 2根 服 役 钻 铤 断 裂 失效 均发 生 在 母 扣 内螺 纹 根 部 ，即最后 1 ～2扣处 。引起 钻铤 内外 螺纹 断裂失效 原 因 归纳起 来可 能有 以下 几点 1 地层 因素 。地 层 坚硬 ，构造 复杂 ，不 均质性 强 ，在钻进过程中很容易发生蹩钻、跳钻现象 ，使钻 铤局部受力过载 ，增加了发生疲劳失效的几率 。 2 螺纹 结 构特 征 。一方 面 ，钻铤螺 纹根 部过 渡 圆 角半 径较 小 ，造成 了该 处应 力集 中 ，使 得钻 铤接 头 疲劳强度下降； 另一方面， 在螺纹处于连接状态时 ， 螺 纹上所受的力主要集中在 台肩侧第1 ～2扣处， 其中第 1个 螺 纹 承 担 总载 荷 的 4 0 ． 8 ，第 2个 螺纹 承 担 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9 年 第 4 期 2 4 ． 2 7 ／ 6 ， 到达第 8个螺纹以后几乎不再承担载荷 ] 。 这 也 正是螺纹 失效都 是发生 在螺纹 的最后 啮合处 的原 因 所 在 。 3 弯 曲应力 。钻铤 螺纹部 分 的壁 厚要 小于钻 体 部分，因此，钻铤的螺纹连接部位是其薄弱环节。在 钻压作用下，钻铤发生弯曲时 ，弯曲首先发生在螺纹 部分， 使得螺纹根部尤其是台肩侧螺纹的第1 ～2 牙处 易 萌生裂 纹 。 4 钻具工作 状态 。钻柱 实际工作 时既 有公转 又 有 自转，钻铤的弯 曲状态也呈周期性变化。这时，钻 铤螺纹连接部分也要受到交替变化的 “ 拉压”弯曲应 力 作用 ，导致钻铤 从螺纹 处发生 疲劳 断裂失 效 。 5 井径扩大的影响。当钻具受压弯曲时，井壁 对钻具起限定作用 。当井眼直径较小时，钻具的弯曲 受到一定的限制，因此其弯曲程度有限。但当井眼直 径较大时 ，钻具的弯曲幅度变大 ，尤其是在相对薄弱 的螺纹连 接部位所 受的弯 曲应力更 大 、更 复杂 。 3 ． 3 预 防钻具 失效的对 策 为 了预防钻具 失效应 从 以下几 方面考 虑 ① 根据 地质 情况 ，改善钻 具结构 ；②加工 应力分 散槽 ，改善 螺纹应力分布；③对螺纹表面进行处理 ，提高螺纹强 度 ； ④加强钻具的使用管理； ⑤加强探伤检测工作， 及 时发现 失效 问题 。 4结 论 所分析失效钻铤的化学成分 、力学性能、非金属 夹杂物级别及晶粒度等都符合相关技术要求 ，钻铤失 效属 于疲劳 断裂破 坏 。疲 劳裂 纹形成 于钻铤 内螺纹消 失处 最后 1个 ～2个螺 扣 部位 ，该 处 由于过 渡 圆角较 小，存在较大应力集中，同时单位面积受力较大，应 力状态复杂 ，容易萌生疲劳裂纹 。为了减小钻铤失效 事故 ，应在设计时增加应力分散槽 ，改善螺纹应力分 布 状 态 。 参考文献 [ 1 ] 王文云 ， 汤云霞 ， 朱 明峰。 钻铤螺纹失效 分析及解决措施 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 4 5 4 8 ． [ 2 ] 张焱 ， 刘坤芳 ， 曹里民， 等． 石 油钻 铤螺 纹联 接失效 的机理 分析 [ J ] ． 探矿工程 ， 2 0 0 0 6 4 7 5 0 ． [ 3 ] 王炯 ， 王德 虎， 马福宝 ， 等． 钻铤断裂失效分析[ J ] ． 物理测 试 ， 2 0 0 3 6 3 4 3 9 ． [ 4 ] 万里平 ， 孟英峰 ， 杨龙 ， 等． 钻柱失效原因及预防措施口] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 6 ， 2 9 1 ； 5 7 - 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