陳 猛，歐陽志英，余世杰

(上海海隆石油管材研究所 上海 200949)

0 引 言

鉆桿是鉆柱系統(tǒng)的重要組成部分，起著傳輸動(dòng)力輸送鉆井液的作用。在一些定向井或者水平井鉆進(jìn)過程中鉆桿外壁與井壁會(huì)發(fā)生摩擦、磨損，經(jīng)常會(huì)被一些質(zhì)地較為堅(jiān)硬的巖石劃傷，例如一些井內(nèi)含有物相質(zhì)地較為堅(jiān)硬的SiO2(石英)和Al2O3(剛玉)時(shí)，其巖石顆粒硬度可達(dá)到莫氏硬度6～7，而一般情況下鋼制鉆桿的莫氏硬度在4～5之間，這種巖石會(huì)對(duì)鉆桿外壁造成嚴(yán)重的劃傷現(xiàn)象。鉆桿外壁出現(xiàn)周向的劃傷缺陷后，在劃痕的底部會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而鉆桿在服役過程中要承受拉、壓、彎、扭等復(fù)合交變載荷，極易在劃痕底部誘發(fā)萌生疲勞裂紋現(xiàn)象，最后裂紋快速擴(kuò)展造成鉆桿發(fā)生早期疲勞刺穿、斷裂失效[1-3]。

某井一鉆桿在服役過程中發(fā)生了刺漏現(xiàn)象，樣品宏觀形貌顯示刺漏周圍有明顯的周向劃痕。刺漏鉆桿尺寸為Φ127 mm(外徑)×9.19 mm(壁厚)，鋼級(jí)為G105，材質(zhì)為27CrMo，工藝狀態(tài)為調(diào)質(zhì)熱處理。

1 宏觀分析

1.1 失效鉆桿樣品宏觀形貌及測量

失效鉆桿樣品整體形貌如圖1所示，總長度約1.3 m，鉆桿表面有黃色的銹蝕產(chǎn)物，在樣品的中間有一周向的刺孔，刺孔周向長度約45 mm，軸向?qū)挾燃s9 mm，如圖2所示。分別在樣品的兩端和刺孔附近測量其外徑，測量結(jié)果值相近，約127.2 mm，并且樣品兩端的壁厚值也相近，約9.17 mm，初步推斷刺孔位于鉆桿管體上。

圖1 樣品宏觀形貌

圖2 刺孔宏觀形貌

將刺孔周圍的紅色標(biāo)記及銹蝕產(chǎn)物用砂紙打磨掉，發(fā)現(xiàn)沿著刺孔周向有延伸的小裂紋，并且在刺孔的左上方有一條較為明顯的劃痕，劃痕周向長度約52.0 mm，如圖3所示。剖開鉆桿，發(fā)現(xiàn)鉆桿內(nèi)壁涂層及刺孔周圍的涂層完好，內(nèi)壁刺孔周向長度約38.0 mm，如圖4所示。宏觀形貌分析表明刺孔起源于外壁，與刺孔外壁的周向劃痕有直接的聯(lián)系[4]。

圖3 刺孔宏觀形貌及劃痕

圖4 內(nèi)壁刺孔形貌及涂層

1.2 磁粉檢測

對(duì)失效鉆桿樣品進(jìn)行磁粉分析，分析結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明刺孔其他區(qū)域無明顯的缺陷，沿著刺孔周向有延伸的小裂紋。刺孔左上方的劃痕這里并沒有顯示出來，這是因?yàn)閯澓劬o挨著刺孔并且與刺孔周向平行，磁化效果太弱，劃痕未能檢測出來。

圖5 磁粉檢測結(jié)果

2 理化性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

用ARL 4460 OES直讀光譜儀對(duì)失效鉆桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1，分析結(jié)果表明送檢失效鉆桿樣品的化學(xué)成分符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)，在送檢的樣品上遠(yuǎn)離刺漏點(diǎn)取寬25 mm的板拉伸試樣，取10 mm×7.5 mm×55 mm的CVN沖擊試樣(縱向)，取10 mm厚的圓環(huán)硬度片，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370、ASTM E23及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)分別采用WAW-600電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、JBN-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和600MRD數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明送檢的失效鉆桿的拉伸性能、沖擊性能及硬度符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)PSL-1要求。

2.3 金相分析

依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015對(duì)送檢鉆桿進(jìn)行金相分析，失效鉆桿的金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為8.5，夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果為A0.5，B1.0，C0.5，D0.5。

表2 失效鉆桿的拉伸性能和沖擊性能

表3 鉆桿硬度試驗(yàn)結(jié)果(HRC)

對(duì)刺孔上方的劃痕取金相試樣進(jìn)行金相分析，垂直于劃痕(周向長度的中間部位)取金相試樣，觀察面為縱截面。將金相試樣磨拋后放在顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)劃痕垂直深度約150 μm，如圖6所示；在劃痕底部有延伸的裂紋，裂紋擴(kuò)展較為平直，裂紋兩側(cè)的組織形貌為回火索氏體，無脫碳現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部有黑色的腐蝕產(chǎn)物，裂紋尖端存在圓鈍的小區(qū)域，內(nèi)部有黑色的氧化物，裂紋在劃痕底部垂直深度約90 μm，如圖7所示。

圖6 劃痕底部裂紋(拋光態(tài) 100×)

圖7 劃痕底部裂紋微觀形貌(腐蝕態(tài) 500×)

據(jù)此可以推斷刺孔區(qū)域外壁很有可能存在類似的劃痕缺陷，在井下服役時(shí)，劃痕底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在劃痕底部易萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋產(chǎn)生后會(huì)擴(kuò)展較為順?biāo)?，最后形成刺穿形貌。刺孔外壁的劃痕和刺孔上方的劃痕底部都產(chǎn)生了疲勞小裂紋，刺孔區(qū)域的劃痕底部裂紋由于產(chǎn)生較早，然后擴(kuò)展較快，所以先形成了刺穿形貌，而刺孔上方的劃痕底部雖然也產(chǎn)生了疲勞裂紋，但是疲勞裂紋萌生的較晚，主要應(yīng)力集中于刺孔區(qū)域的裂紋，應(yīng)力得到釋放，所以刺孔上方的劃痕底部擴(kuò)展較為緩慢，甚至后期存在停滯現(xiàn)象，表現(xiàn)為裂紋尖端較為圓鈍。

3 斷口分析

用機(jī)械的方式將刺孔打開，打開后的宏觀斷口形貌如圖8(a)所示，將斷口清洗干凈，中間區(qū)域?yàn)榇檀┑臄嗫谛蚊?，表面由于?jīng)過高壓泥漿腐蝕沖刷，呈現(xiàn)沖刷河流狀的形貌，而且較為光滑，有金屬光澤。斷口最邊緣，即最右側(cè)銀灰色斷口為新打開的斷口形貌。在刺穿斷口區(qū)域與新打開的斷口區(qū)域有一扇形的平臺(tái)，扇形靠近外壁要寬，收縮于內(nèi)壁，扇形平臺(tái)表面存在黑色的氧化物，該區(qū)域?yàn)榇炭讉?cè)邊延伸裂紋斷口形貌，裂紋未完全刺穿，受到泥漿的侵蝕作用，此平臺(tái)與新打開的斷口交界的區(qū)域?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展的尖端，裂紋在該區(qū)域隨著鉆桿在井下旋轉(zhuǎn)彎曲作用而交替擴(kuò)展，刺孔也隨之逐漸增大[5]。

用掃描電鏡觀察裂紋尖端的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域裂紋存在疲勞裂紋條紋形貌，如圖8(b)所示。

圖8 刺漏斷口整體與局部微觀形貌

刺孔邊緣裂紋及刺孔形成的過程中裂紋的擴(kuò)展是以疲勞的方式進(jìn)行的。隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展劃痕底部的裂紋快速延伸至內(nèi)壁形成刺穿，而后鉆桿內(nèi)壁的高壓泥漿沿著刺穿的裂紋噴射到鉆桿外壁，此時(shí)刺孔裂紋表面會(huì)受到泥漿的高速?zèng)_刷作用，刺穿的裂紋會(huì)逐漸張大(軸向?qū)挾茸兇?，刺孔周向隨著疲勞裂紋擴(kuò)展，刺孔周向長度逐漸變長，最終形成送檢樣品刺孔形貌[6]。

4 綜合分析

4.1 理化性能

刺漏鉆桿的理化性能符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求，排除由于鉆桿理化性能不合格引起本次刺漏產(chǎn)生的可能性。

4.2 刺漏產(chǎn)生的過程

首先，宏觀分析顯示鉆桿外壁緊挨著刺漏有一條與刺漏互相平行的劃痕，劃痕周向長度52 mm，經(jīng)過金相分析得知?jiǎng)澓凵疃燃s150 μm，而且在劃痕底萌生了一條疲勞裂紋，裂紋深度約90 μm(以劃痕底部為基準(zhǔn))。根據(jù)劃痕的形貌特點(diǎn)可以推斷出該劃痕是由外力作用形成的，劃痕形成后由于劃痕周向長度較長，而且，鉆桿管體由于剛度較小在井下易發(fā)生彎曲，劃痕在旋轉(zhuǎn)彎曲作用力下其底部會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中作用，易在劃痕底部萌生出疲勞小裂紋，劃痕底部的裂紋金相分析已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。

其次，根據(jù)刺孔打開后的宏觀分析及刺孔斷口分析，發(fā)現(xiàn)刺孔起源于鉆桿外壁，而且與刺孔上方的劃痕及裂紋與刺孔平行，據(jù)此可以推測刺孔位置原始外壁也可能有類似的劃痕，鉆桿在服役過程中受到旋轉(zhuǎn)彎曲作用后，劃痕底部有明顯的應(yīng)力集中作用，在劃痕底部萌生了疲勞裂紋。

因此，可以推測該失效樣品管體上外壁起初有兩道平行的劃痕(劃痕1和劃痕2)，劃痕1刺孔上方與刺孔平行的劃痕；劃痕2為刺孔區(qū)域外壁的劃痕，但已經(jīng)被沖刷腐蝕掉。根據(jù)樣品的宏觀分析和金相分析可得到兩道平行的劃痕相距約0.7 mm，劃痕1軸向長度約52 mm，寬度約0.5 mm，劃痕底部為圓弧形貌，劃痕1深度約0.15 mm。因?yàn)閯澓?裂紋擴(kuò)展速度較快，并且形成了刺穿，所以可以判定劃痕2深度要比劃痕1深度要大，為了便于后面的有限元分析，我們設(shè)定劃痕2的深度約0.25 mm，其余參數(shù)皆與劃痕1相同。

鉆桿服役時(shí)受到旋轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合載荷的作用，很容易在鉆桿周向的劃痕底部產(chǎn)生疲勞裂紋，但是由于劃痕2深度較大，應(yīng)力集中更加明顯，疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展會(huì)更加容易，此處會(huì)較為優(yōu)先形成疲勞裂紋并且快速擴(kuò)展。劃痕1底部也會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合載荷作用下其底部也會(huì)萌生疲勞裂紋。但是由于劃痕2應(yīng)力集中比劃痕1要明顯，所以劃痕2底部裂紋擴(kuò)展較快，該部分管段的應(yīng)力得到釋放，裂紋深度繼續(xù)增加使得該區(qū)域的整體橫截面積較小，應(yīng)力水平增加，同時(shí)裂紋深度的增加應(yīng)力集中效果會(huì)愈增明顯，裂紋導(dǎo)致該區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速度越來越快，會(huì)快速刺穿鉆桿壁厚，此時(shí)鉆桿內(nèi)部的高壓泥漿沿著刺穿的裂紋沖出到鉆桿外壁，裂紋經(jīng)過高壓泥漿的腐蝕沖刷后，刺孔會(huì)急劇地長大(軸向?qū)挾茸兇?，周向長度變長)。刺孔長大后該區(qū)域的主要應(yīng)力會(huì)集中在延伸的裂紋上，已經(jīng)刺穿的區(qū)域應(yīng)力會(huì)比較小或者為0，而劃痕1底部裂紋雖然前期也得到一定的擴(kuò)展，但是此時(shí)由于刺孔的長大和擴(kuò)展，該區(qū)域的應(yīng)力會(huì)比較小，所以劃痕1底部裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)了停滯現(xiàn)象，這表現(xiàn)為裂紋尖端較為圓鈍。此次失效樣品刺穿形貌的形成示意圖如圖9所示。

圖9 刺穿形成示意圖

4.3 劃痕有限元分析

根據(jù)以上內(nèi)容設(shè)定兩道劃痕的二維模型，其網(wǎng)格示意圖如圖10(a)所示。設(shè)定鉆桿加載拉伸載荷為F=400 kN；鉆桿受到的彎矩M=21 427 N·m(DS-1標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算鉆桿管體靠近接頭處彎矩，井眼曲率3°/30 m)。圖10(b)為兩道劃痕區(qū)域的應(yīng)力分布情況，劃痕1底部最大應(yīng)力為371.44 MPa，劃痕2底部最大應(yīng)力為452.19 MPa，劃痕2底部的應(yīng)力水平高于劃痕1底部的應(yīng)力水平，這將更容易在劃痕2底部萌生疲勞裂紋，裂紋的形成和擴(kuò)展都會(huì)領(lǐng)先于劃痕1底部的疲勞裂紋，最后劃痕2底部的裂紋快速擴(kuò)展形成了刺穿形貌。劃痕1底部起初還會(huì)存在一定應(yīng)力集中現(xiàn)象，底部的應(yīng)力高于管體的平均應(yīng)力，在拉、壓，旋轉(zhuǎn)彎曲等復(fù)合載荷作用下其底部會(huì)萌生疲勞裂紋，劃痕1與劃痕2相鄰很近，那么大部分應(yīng)力將會(huì)集中于劃痕2底部，隨著劃痕2底部裂紋形成和快速擴(kuò)展，劃痕1底部裂紋區(qū)尖端的應(yīng)力將會(huì)逐漸降低，劃痕2底部的裂紋刺穿后劃痕1底部的裂紋尖端將會(huì)變?yōu)?，此時(shí)劃痕1底部的裂紋會(huì)停止擴(kuò)展[7-9]。圖10(c)模擬了劃痕底部已經(jīng)刺穿，劃痕1底部裂紋已經(jīng)形成(底部裂紋長度為0.5 mm)，只加載了單向軸向拉力400 kN的條件下應(yīng)力分布圖，應(yīng)力分布結(jié)果證實(shí)了上述分析。

圖10 劃痕底部及裂紋應(yīng)力分布

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

1)送檢失效樣品的理化性能符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)鉆桿外壁存在周向劃痕是引起本次鉆桿發(fā)生刺漏的主要原因。周向劃痕底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在拉、壓、旋轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)合載荷下，易在劃痕底部萌生疲勞裂紋，然后快速擴(kuò)展形成刺穿。

5.2 建議

對(duì)使用過的鉆桿要及時(shí)清理表面泥漿，并且做好周期表面探傷，避免受損的鉆桿下井使用發(fā)生早期失效現(xiàn)象；可對(duì)表面存在劃傷的鉆桿進(jìn)行修磨處理，將一些尖銳的劃痕打磨、修平，可避免該類鉆桿下井使用后發(fā)生早期疲勞失效現(xiàn)象。