4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究.pdf

石油天 然气学报2 0 1 2 年 2 月第 3 4卷第 2 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y F e b ． 2 0 1 2、 ， o L 3 4 N o ． 2 4 1 4 5 H 石油钻铤钢示 波冲击性 能研究 l l 1， ／ 油气藏地质及开发工程 国家重点 实验 室 西南石油大学 ，四川 成都 6 1 0 5 0 0 、 ～ ＼ 中石 化石油工程技术研究 院 北京 1 0 0 1 0 1 ， 曾德智 ，施太和 -- ． 』 1． 碴 油气藏地质及开发 工程 国家重 点实验室 西南石油大学 ，四⋯ 成都 6 1 0 5 0 “1 “ 1 - 睡 ～一 卢亚锋 中石油西南油气由公司采气工 程研究院， 四川广汉6 1 8 3 o 0 王 沫 q a 石化西北油田分公司工程技术研究院， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 1 [ 摘要]对 4 1 4 5 H 钻铤钢纵 向取样 ，研 究 了不 同温度 下的示波冲 击特性 。结果表 明，取样钻铤 的冲 击功值 满足 S YT 5 1 4 4 - 2 o o 7钻铤和 AP I S P E C 7 标准要求，并得出了4 1 4 5 H钻铤钢的冲击功随温度的降低 而降低 ，起裂功 与冲 击功 的比值 随温度 的 降低 而升 高 ，裂纹 扩展功 以及裂 纹扩展 功与冲 击功 的此 值随 温 度 的降低 而 降低。在钻井工程 中表现 为常温下裂纹在钻 铤 中扩展 速率 较慢 ，钻 铤不容 易 断；低 温下 裂纹 在 钻铤 中扩展速率较快，钻铤 更容 易断。该 研究成果为合理 指导 4 1 4 5 H 钻铤 的生产工 艺和现场使用 提供 了依据，为分析 4 1 4 5 H 铀铤 断裂机理 提供 了基础实验依据。 i j [ 关键词]4 1 4 5 H 钢；石油钻铤；示波冲击；温度；冲击功；裂纹扩展功；钻铤断裂⋯ ⋯ ～ ⋯～ [ 中图分类号]“ F E 9 2 1 ． 2 [ 文献标识码 ]A [ 文章 编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 0 2 0 1 5 7 一O 4 在石油铂 井过程中，钻铤在井眼中承受着 E 常复杂的载荷 。在复杂载荷的作用 ． 钻铤断裂 失效的 事故时有发生 ， - 轻则打捞、钡4 钻、延长钻井周期 ，重则使整 口井报废l_ 1 ] 。4 1 4 5 H 钢作为通过 AI S I 美 国 钢铁协会标准认证的国际通用石油钻铤用钢 ， 已经普遍应甩于我国的钻井工程中 。常规 冲击试验可 以测量出材料的冲击功 ， 示 波 冲击相 比常规 击可 以记录试验时冲击试样冲击变 和断裂过程币 的冲击 力一 位移 以及 冲击 功一 位 移 曲线 ，提供 了不 同变形 和 断 裂 阶段的 载荷 、变 形及 能量 消耗 的变化 情况 ，并且 可 以计算出试样的起裂功、裂纹扩展功 ，其中裂纹扩展功在冲击断裂过程中消耗的总能量中所 占的比例 大小反映了材料的韧性好坏l_ 4 。由于在俄 罗斯 的西伯利 亚以及我 国东北大庆油田 ， ． ． 冬天最低温度有 可能达到一4 0 ℃。所 以笔者通过对 4 1 4 5 H 钻铤钢纵 向取样 ，做了不 同温度下 的示波冲击试验，研究 了 4 1 4 5 H 石 油钻 铤 钢在不 同 温度下 的示 波 冲击 性能 ，为 研究 4 1 4 5 H 钻铤 断裂 提供 试验 依据 。 1 试验材料及方法 试 验所 采 用 的 4 1 4 5 H 钢 的化 学成分 为 9 7 0 3 3 F e ；0 。 4 7 C；0 ． 2 0 S i ；l 1 O Mn ； 0 ． ． O l l P； 0 ． 0 0 2 ％ S ； 1 ． 1 l C r ； 0 ． 0 2 ％ C u ； 0 ． 0 3 3 ％ T i ； 0 ． 0 2 1 ％ A【 。 材 料 屈 服 强 度 9 3 1 MP a ，抗 拉 强 度 1 0 4 5 MP a ，断后延 伸率 为 1 8 ． 8 4 。 试验 仪器 为 MT S中 国有 限公 司生产 的 Z B C 2 3 0 2 一 D 型示 波 冲 击试 验 机 冲击 速度 5 ． 2 4 m／ s 。试验 加工的示波冲击试样尺寸为 5 5 ra m1 0 m m1 0 m m，加工缺口为 C h a r y V型缺口 l ， 如图；l 所示 。 试样 取样为钻铤纵向方向。参照国家 标准 GB ／ T1 9 7 4 8 - 2 0 0 5 钢材夏比 V 型缺 日摆锤冲击实验仪器化试验方 法 l_ 】 进行 ，测定冲击过程 中的力一 位移 、冲击功一 位移曲线 。 根据 G B ／ T1 9 7 4 8 2 0 0 5 标准，按示波冲击曲线形状通常将力 一 位移曲线分．为 AJ F 共 l6 种娄型。在 [ 收稿日期]2 0 1 1 0 92 1 [ 基 金 项 目 ] 国 家 自 然 科 学基 金 项 自 5 1 0 0 4 0 “8 j ； 教 育 葡 诲壬 点 基 釜巅 画 ’ c 2 o i b 5 l 1 1 b 。 [ ll l i Y ]刘飞 1 9 8 4 一 ， 男 2 曲 _年大学_毕业 博士生i 现型复姒事韬≠ 垃 妻 当 酶研 究 稚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 * 石油机械工程 2 0 1 2年 2月 最大力之前不存在屈服力 几 乎 不 存 在 塑 性 变 形 且 只产生 不稳 定 裂 纹 扩 展 的为 A 型 ，如 图 2 a ； 在最大力之前不存在屈服 力 ，但有 少量 稳 定 扩 展 的 为 B型 ，如 图 2 b ；根 据其 稳定 裂 纹扩 展 或 者 不 稳定 裂纹 扩 展所 占的 比例 图 l 4 1 4 5 H 钢 C h a r p y V 型 缺 口示 波 冲 击 试 样 单 位 mm 的大 小分 为 C、D、E等 3种类 型 ，分别 如 图 2 c 、 d 、 e ；只产 生稳定 裂纹 扩展 的为 F型 ，如 图 2 f 。 a A型 b B 型 i ， m ， ／’ ／ I 一 S S ≈S S c C型 S s s s t S S s s s S d D型 e E 型 图 2 示 波 冲 击 试 验 结 果 中 力与 位 移 曲线 类 型 S S S f F 型 在 GB ／ T1 9 7 4 8 2 0 0 5标 准 中 ，力 、位移 和能 量符 号 的含义 如下 力 特征值 主 要有 屈 服力 F 、 最 大 力 F 、 不 稳定 裂纹 扩展起 始 力 F 和不 稳定 裂纹 扩展 终 止 力 F 。 与力 特 征 值相 对 应 的位 移 有 屈 服位 移 S 、 最 大 力时位 移 S 、 不 稳定裂 纹 扩展起 始位 移 S ⋯ 不稳 定 裂纹扩 展终 止位 移 S 和总位 移 S 。 相应 的 能量 特 征 值有 裂纹 形成 能量 wi 、 裂纹 扩展 能量 w 和冲击 吸收 总能量 W 。 2 试验 结果及分析 在 4 1 4 5 H钻铤钢的纵向上取试样 ，并做常温 2 5 ℃ 、0 、一2 0和 一4 0 C共 4种温度下 的示波 冲击 试验 ，每种温度做 3个平行样 ，得到 4种温度下 4 1 4 5 H钻铤钢的示波冲击 曲线。结果如图 3 ～6和表 1 所示 。 从 图 3 ～6以及 表 1中可 以得 出在 4种 不 同的温 度下 ，4 1 4 5 H 钻铤 钢的示 波 冲击 曲线 中的力一 位移 曲 线均 为 只产生 稳定 裂纹 扩展 的 F型 。在常 温 2 5 C 、0 、～2 0和 一 4 0 C这 4种 温度 下 ，4 1 4 5 H 钻 铤 钢 的冲击功随温度的降低而逐渐降低 ，平均值分别为 1 0 1 ． 9 8 、9 8 ． 4 2 、9 5 ． 0 0和 8 6 ． 5 9 J ，满足 S Y T5 1 4 4 2 0 0 7钻铤 和 AP I S P E C 7 标准中常温下钻铤冲击功大于等于 5 4 J的要求。 。I 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷 第 2期 ● 刘飞等 4 1 4 5 H 石油钻铤钢示波 冲击性能研 究 1 5 9 h ＼ 雷 甘 是 ＼ 督 甘 是 1 2 0 位移／ m m 图 3 4 1 4 5 H 钢 纵 向试 样 示 波 冲 击 曲线 2 5 ℃ 1 2 O 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 位移／ m m 图 5 4 1 4 5 H 钢 纵 向试 件 示 波 冲击 曲线 一2 0 C h ＼ 佰 是 ＼ 相 是 位移／ m 图 4 4 1 4 5 H钢纵向试 样示波冲击曲线 0 ℃ 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 位移／ m m 图 6 4 1 4 5 H钢纵向试样示波冲击 曲线 一4 0 ℃ 表 1 4 1 4 5 H 钢 纵 向 试 样 示 波 冲 击 分 析 结 果 从 图 7和 表 1中可 以得 出 4 1 4 5 H 钢 的 起 裂功 与 冲击 功 的 比值 随 温 度 的 降 低 而 升 高 ，裂纹扩展功以及裂纹扩展功与冲击功 的 比值都随温度的降低而降低 ，说 明4 1 4 5 H钢 裂 纹 扩展 速率 随着 温 度 的降低 也 升 高 。温度 越 低使 得 生成 的 裂纹 扩 展 速 率越 快 。在钻 井 工程上表现为 常温下 由于裂纹扩展 功较高 ， 使 裂纹 在钻 铤 中扩 展 速 率 较 慢 ，钻 铤 不容 易 1 2 0 1 0 0 8O ＼ 藉6 0 定4 0 2O O 断 ；低 温下 裂 纹扩 展 功 较 低 ，使 裂 纹在 钻 铤 一 6 o 中扩展 速率 很 快 ，钻 铤 更 容 易断 。为 了减 少 钻铤 断 裂事 故 的发 生 ，生 产 厂 家 必须 优 化 加 4 0 2 0 0 20．4 0 温度／ c 图 7 4种温度下冲击功变化趋势图 ∞ 鲫 ∞ ∞ ∞ 0 互 ＼ R ∞ m 0 ∞ ∞ ∞ 如 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m