余世杰, 孫小林, 袁鵬斌

(1. 西南石油大學(xué), 成都 610500; 2. 上海海隆石油管材研究所, 上海 200949;3. 海隆石油鉆具(無(wú)錫)有限公司, 無(wú)錫 214112)

質(zhì)量控制與失效分析

鉆桿接頭倒角臺(tái)肩面裂紋產(chǎn)生原因分析

余世杰1,2, 孫小林3, 袁鵬斌2

(1. 西南石油大學(xué), 成都 610500; 2. 上海海隆石油管材研究所, 上海 200949;3. 海隆石油鉆具(無(wú)錫)有限公司, 無(wú)錫 214112)

某石油鉆具公司在鉆桿焊區(qū)超聲波探傷工序中發(fā)現(xiàn)，一接頭在其倒角臺(tái)肩面存在橫向裂紋。通過(guò)宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析和能譜分析等方法，對(duì)鉆桿接頭倒角臺(tái)肩面橫向裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：接頭材料成分不均勻，原材料局部區(qū)域存在嚴(yán)重的元素偏析、疏松等冶金缺陷，破壞了基體的連續(xù)性；在后續(xù)的接頭加工工序中，冶金缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，最終產(chǎn)生裂紋。最后提出了相關(guān)建議以避免此類缺陷造成的損失。

鉆桿接頭；橫向裂紋；元素偏析；疏松

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要構(gòu)件，在井底的服役條件比較惡劣，使用過(guò)程中承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)、沖擊等復(fù)雜載荷的作用。為防止接頭在使用過(guò)程中發(fā)生失效，對(duì)接頭質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格。

某公司生產(chǎn)的石油鉆桿接頭采用鍛造加工成型，主要加工工藝過(guò)程為：圓鋼鋸切→加熱→鍛造→余熱退火→粗加工→調(diào)質(zhì)熱處理→外觀檢驗(yàn)→車外圓內(nèi)孔→車螺紋。接頭為母接頭，型號(hào)為NC40，材料為37CrMnMo鋼。在熱處理結(jié)束后對(duì)接頭與管體之間的焊區(qū)進(jìn)行超聲波探傷，根據(jù)其成型特點(diǎn)，該鉆桿接頭的缺陷一般呈縱向分布于接頭外壁。而在某次焊區(qū)超聲波探傷工序中發(fā)現(xiàn)，有缺陷位于接頭臺(tái)肩面，并且呈橫向分布。為了查明該鉆桿接頭產(chǎn)生橫向缺陷的原因，防止類似事故再次發(fā)生，筆者對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的失效分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

經(jīng)磁粉探傷可觀察到，該鉆桿接頭在18°臺(tái)肩面上存在橫向裂紋，如圖1所示。該裂紋距18°臺(tái)肩面消失處約25 mm，裂紋長(zhǎng)約20 mm。

圖1 接頭裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the crack of the joint

將接頭沿軸向剖開(kāi)，拋光后采用3%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精進(jìn)行侵蝕，觀察接頭的縱截面。發(fā)現(xiàn)接頭縱截面上顏色深淺不一，除裂紋外存在多條顏色較深的網(wǎng)狀侵蝕線，如圖2所示，疑為偏析及合金元素在晶界聚集等冶煉缺陷[1]。

圖2 接頭縱截面侵蝕后低倍組織形貌Fig.2 Macro structure morphology of the longitudinal section of the joint after etching

圖3 主裂紋的拋光態(tài)形貌Fig.3 Polishing morphology of the main crack

1.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)圖2所示試樣進(jìn)行觀察測(cè)量，發(fā)現(xiàn)試樣上主裂紋長(zhǎng)約5 mm，通向外壁。裂紋前半部分走向平直，寬度較大，內(nèi)部存在較多的黑色氧化物;裂紋后半部分走向較曲折，寬度較小，呈沿晶開(kāi)裂形貌，內(nèi)部黑色氧化物較少，如圖3所示。后半部分裂紋內(nèi)部也有少量氧化物，見(jiàn)圖4。低倍試樣上侵蝕顏色較深的區(qū)域內(nèi)還存在一些小裂紋，其中最長(zhǎng)的小裂紋長(zhǎng)度約為3 mm，裂紋走向曲折，呈斷續(xù)形貌。大裂紋的周圍存在沿晶分布的白亮物質(zhì)，前部和中部較為明顯。裂紋尾部也有少量白亮物質(zhì)，且裂紋附近的組織明顯與周邊的不一樣，見(jiàn)圖5。小裂紋附近也分布有少量白亮物質(zhì)，部分白亮物質(zhì)還分布在裂紋內(nèi)部，接頭材料的正?；w顯微組織為回火索氏體，見(jiàn)圖6。

圖4 小裂紋的拋光態(tài)形貌Fig.4 Polishing morphology of the small cracks

圖5 主裂紋的侵蝕態(tài)形貌Fig.5 Etching morphology of the main crack:a) front; b) middle; c) end

1.3 化學(xué)成分分析

在接頭裂紋附近取樣，采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)接頭材料的化學(xué)成分符合API SPEC 5DP-2009[2]的技術(shù)要求。

圖6 小裂紋及周邊區(qū)域的侵蝕態(tài)形貌Fig.6 Etching morphology of the small cracks and their surrounding area:a) small cracks; b) surrounding area of the small cracks

項(xiàng)目CSiMnPSCrMoNiAlCu實(shí)測(cè)值0.380.240.930.0100.0041.140.300.120.0220.009標(biāo)準(zhǔn)值0.35～0.400.15～0.350.85～1.00≤0.015≤0.0080.90～1.200.28～0.35≤0.25-≤0.25

1.4 能譜分析

對(duì)試樣裂紋周邊的白亮物質(zhì)進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢?jiàn)裂紋附近白亮物質(zhì)的主要含有鉻、錳、鉬等元素，在白亮物質(zhì)附近還含有磷、硅等元素。

圖7 主裂紋周邊白亮物質(zhì)的EDS分析位置及結(jié)果Fig.7 EDS analysis position and results of the white bright substance around the main crack:a) analysis position; b) analysis results

圖8 小裂紋附近白亮物質(zhì)的EDS分析位置及結(jié)果Fig.8 EDS analysis position and results of the white bright substance near the small crack:a) analysis position; b) analysis results

2 分析與討論

該鉆桿接頭裂紋起源于外壁，裂紋前半部分走向平直，后半部分具有沿晶形貌，裂紋尾部尖銳。根據(jù)裂紋的形貌及走向可以推斷，此裂紋為接頭熱處理產(chǎn)生的淬火裂紋。內(nèi)部缺陷由多條細(xì)小裂紋組成，走向曲折間斷，具有一定的沿晶形貌，可以推斷細(xì)裂紋可能是在鍛造或熱處理過(guò)程中由于晶界弱化產(chǎn)生的。

接頭試樣經(jīng)侵蝕后發(fā)現(xiàn)，在裂紋周圍均存在大量的白亮物質(zhì)，該白亮物質(zhì)具有沿晶分布的特點(diǎn)。EDS分析表明，該白亮物質(zhì)主要含有鉻、錳、鉬、碳等元素，在白亮物質(zhì)周圍還發(fā)現(xiàn)磷元素，其含量比基體的高出幾十倍，且裂紋附近的細(xì)小夾雜物如硫化錳夾雜物也較多[3]。這說(shuō)明接頭中的合金元素鉬、鉻及磷等元素發(fā)生嚴(yán)重偏析，且主要在晶界上聚集，使晶界弱化。在熱處理過(guò)程中，由于偏析區(qū)域與基體相變時(shí)間不同會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，容易引起開(kāi)裂，從而在晶界偏析處形成微裂紋。因此，接頭內(nèi)部細(xì)小的裂紋分布在偏析嚴(yán)重區(qū)，并具有沿晶分布特征[4-5]。

其次，在裂紋周圍還發(fā)現(xiàn)一些顯微孔洞，為疏松、氣孔等缺陷，顯微孔洞內(nèi)還分布有黑色氧化物?？梢酝茢啵糜阱懺煸摻宇^的鋼錠在鑄造過(guò)程中，鑄件內(nèi)部形成的氣孔、疏松、夾渣等缺陷未切除干凈，接頭在后續(xù)加工時(shí)易在這些缺陷處形成微裂紋[6]。

綜上所述，由于接頭材料的化學(xué)成分分布不均勻，原材料局部區(qū)域存在嚴(yán)重的合金元素偏析、疏松等冶金缺陷，破壞了基體的連續(xù)性，以致在后續(xù)的接頭加工工序中冶金缺陷進(jìn)一步放大，最終在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生淬火裂紋。

3 結(jié)論與建議

(1) 鉆桿接頭材料成分不均勻，原材料局部區(qū)域存在嚴(yán)重的元素偏析、疏松等冶金缺陷，破壞了基體的連續(xù)性。在后續(xù)的接頭加工工序中，冶金缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鉆桿接頭產(chǎn)生裂紋。

(2) 建議在鉆桿接頭坯料入廠時(shí)，加大圓棒材料化學(xué)成分、低倍組織缺陷的檢驗(yàn)力度，避免對(duì)已存在缺陷的坯料進(jìn)行加工生產(chǎn)。

[1] 張延玲,劉海英,阮小江,等.中低碳齒輪鋼中合金元素的偏析行為及其對(duì)帶狀組織的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(12):199-206.

[2] API SPEC 5DP-2009 Specification for drill pipe[S].

[3] 尹安遠(yuǎn),吳素君.鋼中非金屬夾雜物的鑒定[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2007,43(8):395-398.

[4] 陳猛,余世杰,袁鵬斌,等.NC40鉆桿接頭裂紋的原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(9):671-674.

[5] 趙金鳳,袁鵬斌,陳家磊,等.NC50鉆桿接頭裂紋原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(7):460-462.

[6] 郭立波,高延慶,馬玉民.718H鋼與40Cr13鋼中心疏松的原因分析及改進(jìn)措施[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2017,53(1):62-66.

Causes Analysis on Cracks of Chamfer Shoulder Surface of a Drill Pipe Joint

YU Shijie1,2, SUN Xiaolin3, YUAN Pengbin2

(1. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. Shanghai Hilong Oil Tubular Goods Research Institute, Shanghai 200949, China;3. Hilong Drill Pipe (Wuxi) Co., Ltd., Wuxi 214112, China)

During the ultrasonic flaw detection process of the welding area of drill pipes in an oil drilling company, transversal cracks were found on the chamfer shoulder surface of a drill pipe. Through the macroscopic observation, metallographic examination, chemical composition analysis and energy spectrum analysis, the causes of transverse cracks on the chamfer shoulder surface of the drill pipe joint were analyzed. The results show that: the compositions of the joint material were not uniform, and serious metallurgical defects such as element segregation and looseness existed in the local region of the raw material, which destroyed the continuity of the matrix; in the subsequent manufacturing process, the metallurgical defects further extended, and finally led to the cracks. Related suggestions were put forward in order to avoid the loss caused by this kind of defects.

drill pipe joint; transversal crack; element segregation; looseness

10.11973/lhjy-wl201707016

2016-06-28

余世杰(1982-)，男，工程師，博士研究生，主要從事石油管材失效分析和研發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督等工作，ysj21cn@163.com

TG142.33

B

1001-4012(2017)07-0524-04