舒志強(qiáng)， 歐陽(yáng)志英， 龔丹梅

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

高鋼級(jí)鉆桿強(qiáng)度塑性試驗(yàn)研究

舒志強(qiáng)， 歐陽(yáng)志英， 龔丹梅

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

鉆桿強(qiáng)度級(jí)別提高，其塑性性能會(huì)發(fā)生變化，因此高屈強(qiáng)比成為影響高鋼級(jí)鉆桿推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題。對(duì)X95、G105、S135、V150和HL165系列高鋼級(jí)鉆桿進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，利用真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析了高鋼級(jí)鉆桿強(qiáng)度塑性特征參數(shù)的變化規(guī)律及屈強(qiáng)比對(duì)鉆桿安全性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋼級(jí)提高，鉆桿強(qiáng)度不斷增加的同時(shí)，工程屈強(qiáng)比和真實(shí)屈強(qiáng)比都增大，但后者比前者約小5.5%～7.0%；不同鋼級(jí)鉆桿工程屈強(qiáng)比與其伸長(zhǎng)率、沖擊功、塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變量、均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度等塑性韌性指標(biāo)無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系；雖然V150、HL165超高強(qiáng)度鉆桿屈強(qiáng)比分別達(dá)到0.953和0.941，形變硬化能力略有降低，但仍具有高塑性變形能力、高韌度水平和高斷裂強(qiáng)度。研究認(rèn)為，不宜將工程屈強(qiáng)比作為衡量高鋼級(jí)鉆桿質(zhì)量的一項(xiàng)硬性指標(biāo)，良好的綜合性能是確保鉆桿安全使用的關(guān)鍵。

屈強(qiáng)比；高鋼級(jí)；鉆桿；塑性變形；真應(yīng)力；真應(yīng)變

在深井、超深井鉆井中，鉆桿長(zhǎng)期受到拉、壓、彎、扭、振動(dòng)和與井壁摩擦碰撞等產(chǎn)生的交變載荷，同時(shí)處于高溫高壓鉆井液沖刷與腐蝕的環(huán)境中，因而往往是鉆具中最薄弱的部分。因此，鉆桿的性能直接影響鉆井效率和安全，開(kāi)發(fā)出適用于特殊井的高性能鉆桿具有重要意義。

一般而言，鉆桿的鋼級(jí)提高后，不僅屈服強(qiáng)度提高，鉆桿所用鋼材的其他力學(xué)行為也隨之發(fā)生變化。屈強(qiáng)比是材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，用于表征材料在屈服點(diǎn)與拉伸失效點(diǎn)之間的強(qiáng)度儲(chǔ)備和形變能力，一般認(rèn)為屈強(qiáng)比升高會(huì)導(dǎo)致材料形變硬化能力下降，存在一定的安全隱患，高屈強(qiáng)比已成為當(dāng)前影響高鋼級(jí)鉆桿推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題。在油氣輸送管線鋼的設(shè)計(jì)中，需要考慮管道服役過(guò)程中承受大位移、大應(yīng)變及地震多發(fā)環(huán)境等復(fù)雜情況，若屈強(qiáng)比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致管道在發(fā)生較大塑性變形時(shí)容易產(chǎn)生裂紋而報(bào)廢，因此有關(guān)管線鋼的規(guī)范中對(duì)屈強(qiáng)比有明確規(guī)定，如X70和X80鋼級(jí)管線鋼其屈強(qiáng)比小于0.93[1]。但對(duì)于鉆桿，大部分失效問(wèn)題是由腐蝕和低應(yīng)力疲勞相互作用而導(dǎo)致的鉆桿刺穿或斷裂[2-3]，API 5DP[4]和DS-1標(biāo)準(zhǔn)[5]均只對(duì)鉆桿強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功提出了要求，未提及屈強(qiáng)比，同時(shí)也未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道屈強(qiáng)比對(duì)鉆桿使用安全性的影響。因此，在高鋼級(jí)鉆桿技術(shù)協(xié)議中，如果限制屈強(qiáng)比，勢(shì)必會(huì)損失材料強(qiáng)度，導(dǎo)致鉆桿廢品率急劇上升和生產(chǎn)成本大幅增加，也不利于充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度潛力。

拉伸試驗(yàn)是獲取材料力學(xué)性能最基本、最常用的方法[6]，在石油鉆桿規(guī)范中，拉伸性能對(duì)評(píng)價(jià)鉆桿的機(jī)械性能、應(yīng)力集中敏感性、設(shè)計(jì)應(yīng)用等至關(guān)重要。然而，通常從拉伸試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為工程應(yīng)力參數(shù)，對(duì)材料拉伸過(guò)程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變和塑性變形能力的描述并不準(zhǔn)確。

目前使用最廣泛的X95、G105和S135高鋼級(jí)鉆桿的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)按照API規(guī)范進(jìn)行。近幾年，隨著鋼種設(shè)計(jì)、冶煉軋制、熱處理等工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出了V150、HL165超高強(qiáng)度鉆桿。為了得到更為準(zhǔn)確的高鋼級(jí)鉆桿的塑性性能，筆者基于彈塑性力學(xué)，對(duì)X95、G105、S135、V150、HL165系列高鋼級(jí)鉆桿進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)，根據(jù)工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，研究了不同鋼級(jí)鉆桿屈強(qiáng)比、真應(yīng)力真應(yīng)變、硬化指數(shù)、均勻形變?nèi)萘?、靜力韌度、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性等參數(shù)的變化規(guī)律，分析了屈強(qiáng)比對(duì)鉆桿安全性的影響，以期為高鋼級(jí)鉆桿的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

選取某公司批量生產(chǎn)的X95、G105、S135、V150和HL165等5種不同鋼級(jí)鉆桿作為試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。每組試驗(yàn)用4支平行試樣，拉伸試樣如圖1所示，沖擊試樣如圖2所示。拉伸試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228—2010)的要求在MTS-809試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)應(yīng)力傳感器和引伸計(jì)記錄應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得不同鋼級(jí)鉆桿材料拉伸均勻塑性變形階段及斷裂過(guò)程中的強(qiáng)度塑性特征參數(shù)；沖擊試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 229—2007)的要求在JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度-20 ℃，獲得不同鋼級(jí)鉆桿材料的低溫沖擊功值；最后利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)不同鋼級(jí)鉆桿的材料強(qiáng)度、塑性和韌性參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 拉伸試樣示意Fig.1 Schematic diagram of the tensile samples

圖2 沖擊試樣示意Fig.2 Schematic diagram of the impact samples

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1真應(yīng)力-真應(yīng)變行為

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是以試樣原始橫截面積和原始標(biāo)距長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，在實(shí)際拉伸變形過(guò)程中，隨著試驗(yàn)加載的進(jìn)行，試樣標(biāo)距段長(zhǎng)度不斷伸長(zhǎng)，受載橫截面積逐漸減小，即試樣標(biāo)距段的橫截面積和長(zhǎng)度是動(dòng)態(tài)變化的，只有以瞬時(shí)橫截面積和瞬時(shí)長(zhǎng)度為依據(jù)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，才可以反映材料在拉伸變形過(guò)程中的真實(shí)情況[7]。試驗(yàn)得到的V150鉆桿的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示(圖3中，eb為塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變；σp為工程屈服強(qiáng)度，MPa；σb為工程抗拉強(qiáng)度，MPa；Sb為真實(shí)抗拉強(qiáng)度，MPa；Sk為真實(shí)斷裂強(qiáng)度，MPa)。

圖3 V150鉆桿拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curve of V150 drill pipes

從圖3可以看出，隨著拉伸應(yīng)變量的增加，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線完全避開(kāi)了工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線在形變強(qiáng)化和塑性失穩(wěn)后應(yīng)力逐漸降低的假象，曲線在試樣發(fā)生縮頸之后繼續(xù)上揚(yáng)增大，也反映了V150鉆桿材料在非均勻塑性變形階段不斷強(qiáng)化的事實(shí)(其他鋼級(jí)鉆桿的拉伸曲線與之類似)。

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿均勻塑性變形階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 不同鋼級(jí)鉆桿均勻塑性變形段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curve of different grades of steel drill pipes at uniform plastic deformation section

從圖4可以看出，隨著鉆桿鋼級(jí)從X95升高至HL165，鉆桿材料的真實(shí)應(yīng)力水平明顯增加，塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變量eb略有減小，其中V150、HL165與S135的eb值大小非常接近，即與S135鉆桿相比較，V150和HL165鉆桿的真實(shí)屈服強(qiáng)度分別提高12.5%和21.0%，但在拉伸至塑性失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變量并未減小，具有與S135鉆桿一樣的均勻塑性變形能力。

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖5所示(圖5中，Sp為真實(shí)屈服強(qiáng)度，MPa)。

圖5 不同鋼級(jí)鉆桿的強(qiáng)度Fig.5 Strength curve of different steel grades of drill pipes

從圖5可以看出，工程屈服強(qiáng)度與真實(shí)屈服強(qiáng)度非常接近，這主要是因?yàn)樵诓牧习l(fā)生屈服時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變量非常小，承載橫截面積變化不明顯；而在拉伸至塑性失穩(wěn)時(shí)，不同鋼級(jí)鉆桿的真實(shí)抗拉強(qiáng)度明顯大于工程抗拉強(qiáng)度，前者較后者增加約60～80MPa；在最終斷裂時(shí)，由于試樣局部發(fā)生嚴(yán)重縮頸，瞬時(shí)承載橫截面減至最小，對(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大，不同鋼級(jí)鉆桿的真實(shí)斷裂強(qiáng)度約為工程抗拉強(qiáng)度的1.65～1.87倍。

2.2不同鋼級(jí)鉆桿的屈強(qiáng)比

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿的屈強(qiáng)比如圖6所示。圖6中，工程屈強(qiáng)比為工程屈服強(qiáng)度與工程抗拉強(qiáng)度之比(即σp/σb)，真實(shí)屈強(qiáng)比為真實(shí)屈服強(qiáng)度與真實(shí)抗拉強(qiáng)度之比(即Sp/Sb)，理論屈強(qiáng)比為各鋼級(jí)鉆桿技術(shù)要求的最小屈服強(qiáng)度與最小抗拉強(qiáng)度之比(即Ys/Ts)。

圖6 不同鋼級(jí)鉆桿的屈強(qiáng)比Fig.6 Yield ratio curve of different steel grades of drill pipes

從圖6可以看出，不同鋼級(jí)鉆桿的理論屈強(qiáng)比均超過(guò)0.90，且隨著鋼級(jí)的升高逐漸增大，HL165鉆桿理論屈強(qiáng)比最高為0.943；工程屈強(qiáng)比也隨鋼級(jí)升高而增大，但在S135及以下鋼級(jí)時(shí)低于理論屈強(qiáng)比，只有V150鉆桿增大較突出(工程屈強(qiáng)比達(dá)到0.953)，HL165鉆桿工程屈強(qiáng)比為0.941，略小于理論屈強(qiáng)比；不同鋼級(jí)鉆桿的真實(shí)屈強(qiáng)比變化趨勢(shì)與工程屈強(qiáng)比相似，但比后者小5.5%～7.0%，其中V150鉆桿的真實(shí)屈強(qiáng)比最大，但也小于0.90，間接說(shuō)明V150鉆桿材料在屈服后仍有較大的塑性變形能力，采用真實(shí)屈強(qiáng)比表征各鋼級(jí)鉆桿塑性變形能力更為客觀。

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與伸長(zhǎng)率如圖7所示(圖7中，A為伸長(zhǎng)率)。

圖7 不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與伸長(zhǎng)率Fig.7 Engineering yield ratio and elongation curve of different steel grades of drill pipes

從圖7可以看出，隨著鉆桿鋼級(jí)的升高，伸長(zhǎng)率先下降(S135鉆桿最低，為22.5%，一般要求≥13.0%即可，因此也滿足要求)，然后又略有升高，與工程屈強(qiáng)比的變化無(wú)相關(guān)性。

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與低溫(-20℃)時(shí)的沖擊功如圖8所示(圖8中，Akv為低溫沖擊功，J)。

從圖8可以看出，低溫沖擊功隨著鉆桿鋼級(jí)的升高略有減小，但仍處于較高的韌性水平，尤其是V150和HL165的低溫沖擊功為95J(一般要求≥64J)。因此，可認(rèn)為不同鋼級(jí)鉆桿的塑性指標(biāo)伸長(zhǎng)率和韌性指標(biāo)沖擊功值與工程屈強(qiáng)比沒(méi)有相關(guān)性，并未因工程屈強(qiáng)比增大而顯著減小，同時(shí)也表明各鋼級(jí)鉆桿(尤其是V150、HL165超高強(qiáng)度鉆桿)在強(qiáng)度大幅增加的同時(shí)，仍保持著高塑性、高韌性。

圖8 不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與低溫沖擊功Fig.8 Engineering yield ratio and low-temperature impact energy curve of different grades of steel drill pipes

2.3屈強(qiáng)比與形變硬化

試樣發(fā)生屈服以后進(jìn)入塑性變形，而塑性變形需要外力不斷增大才能進(jìn)行，這種“隨著塑性變形量增大，形變應(yīng)力不斷提高”的現(xiàn)象稱為形變硬化，是由材料內(nèi)部位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)受阻所致。硬化指數(shù)表征了材料形變硬化過(guò)程中加載應(yīng)力對(duì)應(yīng)變量增加的敏感性，硬化指數(shù)越大，阻止塑性變形繼續(xù)發(fā)展的能力越強(qiáng)，安全性越高[8]。試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與硬化指數(shù)如圖9所示(圖9中，n為硬化指數(shù))。

從圖9可以看出，隨著鋼級(jí)提高，硬化指數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì)，鉆桿材料的形變硬化能力逐漸降低，但與工程屈強(qiáng)比變化無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.4屈強(qiáng)比與靜力韌度、均勻形變?nèi)萘啃枰饬ψ龅墓Γ烧鎽?yīng)力-真應(yīng)變曲線積分得到的面積即為靜力韌度。其中，均勻塑性變形階段為材料抵抗微裂紋形核階段，裂紋產(chǎn)生之前單位體積吸收的能量稱為均勻形變?nèi)萘?，屬于靜力韌度的一部分，均勻形變?nèi)萘勘碚鞑牧蠌钠鹗妓苄宰冃蔚剿苄允Х€(wěn)過(guò)程中傳播載荷、重新分布高應(yīng)力的能力，以及局部損傷處抵抗應(yīng)力應(yīng)變集中的程度[9-13]。

靜力韌度是指拉伸試驗(yàn)中試樣單位體積材料從起始至斷裂過(guò)程中吸收的總能量，表征材料抵抗裂紋形成和擴(kuò)展的能力，客觀地反映了材料發(fā)生破壞

圖9 不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與硬化指數(shù)Fig.9 Engineering yield ratio and strain hardening exponent curve of different grades of steel drill pipes

試驗(yàn)得到的不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與靜力韌度、工程屈強(qiáng)比與均勻形變?nèi)萘康膶?duì)比情況分別如圖10和圖11所示(圖10中，Ut為靜力韌度，MJ/m3;圖11中，Up為均勻形變?nèi)萘?，MJ/m3)。

從圖10、圖11可以看出，隨著鉆桿鋼級(jí)升高，靜力韌度和均勻形變?nèi)萘恐饾u增大，并未因屈強(qiáng)比升高而降低。其中，X95、G105鉆桿的靜力韌度大小相近(約為265MJ/m3)，S135鉆桿的靜力韌度為300MJ/m3，當(dāng)鋼級(jí)達(dá)到HL165時(shí)，鉆桿的靜力韌度為375MJ/m3，較S135鉆桿提高約25.0%。不同鋼級(jí)鉆桿的均勻形變?nèi)萘孔兓厔?shì)與靜力韌度相似，約占靜力韌度的21.5%，HL165鉆桿最高，表現(xiàn)出良好的韌度水平；G105鉆桿的均勻形變?nèi)萘孔钚?，?0MJ/m3，這主要是因?yàn)閄95鉆桿與G105鉆桿的材料均為26CrMo合金鋼，生產(chǎn)中G105鉆桿熱處理回火溫度低于X95，即通過(guò)犧牲塑性和韌性來(lái)提高其強(qiáng)度。靜力韌度和均勻形變?nèi)萘孔兓€表明，隨著鉆桿鋼級(jí)的提高，強(qiáng)度大幅增加，但是塑性并未明顯降低，仍保持著較高的韌度水平，尤其是V150和HL165鉆桿，在拉伸變形過(guò)程中需要消耗的能量更高，表現(xiàn)出良好的抵抗裂紋形核和擴(kuò)展的能力。

圖10 不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與靜力韌度Fig.10 Engineering yield ratio and static toughness curve of different grades of steel drill pipes

圖11 不同鋼級(jí)鉆桿的工程屈強(qiáng)比與均勻形變?nèi)萘縁ig.11 Engineering yield ratio and homogeneous deformation capacity curve of different grades of steel drill pipes

3 高屈強(qiáng)比對(duì)鉆桿安全性的影響

鋼材中合金元素的強(qiáng)化機(jī)制對(duì)其屈強(qiáng)比有較大影響，如C、Mn和Si等元素固溶強(qiáng)化可使屈強(qiáng)比降低，而Cr、Mo、Ni和V等元素可提高鋼的熱處理穩(wěn)定性，起到細(xì)化晶粒和析出細(xì)小碳化物及彌散分布的效果，在保證鋼材塑性、韌性不降低的同時(shí)可大幅提高強(qiáng)度，但是這種細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化機(jī)制使鋼材屈服強(qiáng)度的增大幅度明顯大于抗拉強(qiáng)度的增大幅度，易導(dǎo)致屈強(qiáng)比增大[14]。試驗(yàn)中，鉆桿強(qiáng)度級(jí)別越高，鋼中的微合金元素種類和數(shù)量越多(見(jiàn)圖12)，V150、HL165超高強(qiáng)度鋼級(jí)鉆桿與X95、G105和S135鋼級(jí)鉆桿相比，降低了C、Mn的含量，增加了Cr、Mo、Ni和V等元素，主要依靠這些微合金元素的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來(lái)保證強(qiáng)韌性。由此可見(jiàn)，高鋼級(jí)鉆桿屈強(qiáng)比升高是不可避免的。

圖12 不同鋼級(jí)鉆桿主要合金成分比例Fig.12 The main alloy composition content curve of different grades of steel drill pipes

一般認(rèn)為，隨著屈強(qiáng)比增大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差值減小，當(dāng)外加應(yīng)力從屈服強(qiáng)度達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，不足以發(fā)生較大的均勻塑性變形，從而降低材料的抗過(guò)載能力及抗局部應(yīng)力應(yīng)變集中能力。而試驗(yàn)結(jié)果表明，不同鋼級(jí)鉆桿的屈強(qiáng)比與其伸長(zhǎng)率、沖擊功、塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變量、均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度等均沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且不同鋼級(jí)鉆桿的真實(shí)屈強(qiáng)比明顯小于工程屈強(qiáng)比。圖13所示為A，B和C3種高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

從圖13可以看出，3種鋼的工程屈強(qiáng)比相同，但應(yīng)力-應(yīng)變特征和塑性變形能力完全不同，形變硬化指數(shù)nA>nB>nC，但是C的塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變量是最大的，其真實(shí)抗拉強(qiáng)度、真實(shí)斷裂強(qiáng)度、均勻形變?nèi)萘考办o力韌度等指標(biāo)必然最高，安全性最好[15-16]。因此，可認(rèn)為隨著鉆桿鋼級(jí)的升高，雖然硬化指數(shù)逐漸降低，屈強(qiáng)比略有增加，但并不影響鉆桿材料塑性變形過(guò)程中吸收能量的能力。此外，在拉伸試驗(yàn)中，靜力韌度從塑性失穩(wěn)點(diǎn)可劃分為抗拉強(qiáng)度之前的均勻塑性變形階段和之后裂紋擴(kuò)展過(guò)程的非均勻塑性變形階段，其中抵抗裂紋形成過(guò)程消耗能量比例(均勻形變?nèi)萘?只占靜力韌度的21.5%，相對(duì)而言近78.5%的能量消耗發(fā)生在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中。而屈強(qiáng)比和硬化指數(shù)是間接衡量均勻塑性變性的參數(shù)，因此從整個(gè)拉伸過(guò)程來(lái)看，屈強(qiáng)比的增加和形變硬化的降低對(duì)試樣斷裂模式影響較小。

圖13 A，B和C等3種鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curve of three kinds of steel materials(A、B、C)

綜合以上分析可知，高鋼級(jí)鉆桿雖然屈強(qiáng)比較高，硬化指數(shù)減小，但具有高塑性、高韌度、高斷裂強(qiáng)度，并不影響鉆桿的安全使用，也不宜將工程屈強(qiáng)比作為衡量高鋼級(jí)鉆桿質(zhì)量的一個(gè)硬性指標(biāo)。

4 結(jié) 論

1) 鋼級(jí)提高，鉆桿強(qiáng)度水平不斷增加的同時(shí)，屈強(qiáng)比逐漸增大，但拉伸均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度也顯著增大，伸長(zhǎng)率、塑性失穩(wěn)點(diǎn)應(yīng)變量和低溫沖擊功并無(wú)減小趨勢(shì)，說(shuō)明高鋼級(jí)鉆桿屈強(qiáng)比的增大并未影響到鉆桿的安全使用性能。

2) 不同鋼級(jí)鉆桿的真實(shí)屈強(qiáng)比與工程屈強(qiáng)比相比約減小5.5%～7.0%，且明顯小于鉆桿的理論屈強(qiáng)比，因此采用真實(shí)屈強(qiáng)比表征各鋼級(jí)鉆桿屈服后的塑性變形能力更為客觀。

3) 從發(fā)揮鉆桿材料強(qiáng)度潛力和保障鉆井高效安全的角度考慮，不建議將工程屈強(qiáng)比作為衡量高鋼級(jí)鉆桿質(zhì)量的一項(xiàng)硬性指標(biāo)，良好的綜合性能是確保鉆桿安全使用的關(guān)鍵。

References

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[編輯 令文學(xué)]

StudyonStrengthandPlasticityofHighSteelGradeDrillPipe

SHUZhiqiang，OUYANGZhiying，GONGDanmei

(ShanghaiHilongPetroleumTubularGoodsResearchInstitute,Shanghai,200949,China)

Increasing drill pipe strength grade results in a change in plastic property so a high yield ratio has become the main problem in high-strength drill pipe popularization and application.Tensile tests at room temperature were conducted on X95,G105,S135,V150 and HL165 series of high-strength drill pipes.In addition,the influence of the strength and plastic characteristic parameter variation rules and yield ratio on the safety of drill pipes were analyzed by means of a true tress-true strain curve.Test results showed that with the promotion of steel grade and continual increase of drill pipe strength,engineering yield-ratio and true yield-ratio both increased,but the latter was 5.5%-7.0% less than the former.The engineering yield-ratio of a different grade of steel drill pipe had no corresponding relationship with its elongation,impact energy,strain capacity at plastic instability point,uniform deformation capacity,static toughness and other ductility indices.Although the yield ratio of V150 and HL165 series of ultra high strength drill pipes reached 0.953 and 0.941 respectively with slight decrease of deformation hardening capability,they still possessed a high plastic deformation capacity,high toughness level and high breaking strength.The study suggested that it was inappropriate to take engineering yield ratio as rigid index to measure high grade drill pipe quality and acomprehensive list of properties is the key to ensuring the safe use of drill pipes.

yield ratio;high steel grade;drill pipe;plastic deformation;true stress;true strain

TE921+.2

A

1001-0890(2017)05-0053-07

10.11911/syztjs.201705010

2017-03-27；改回日期2017-09-01。

舒志強(qiáng)(1986—)，男，陜西周至人，2010年畢業(yè)于西安理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，工程師，主要從事新型石油鉆具開(kāi)發(fā)及金屬材料力學(xué)性能研究工作。E-mail：szq861017@163.com。