支鵬鵬，馬韋華，張 偉

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿是兩端帶有螺紋、內(nèi)部中空的合金鋼管，在鉆井生產(chǎn)中負責(zé)運送泥漿到鉆頭，并帶出鉆井過程中粉碎的巖石、雜物等。鉆桿常處于高溫、高壓、高腐蝕的工作環(huán)境，因此要求鉆桿具有很高的強度和韌性。

鉆桿是由接頭和管體通過摩擦旋轉(zhuǎn)壓接在一起的，在工藝方面對鉆桿的焊區(qū)（焊縫的熱影響區(qū)）有著特殊的要求，需要對焊區(qū)進行拉伸、沖擊、橫向彎曲試驗等：拉伸試驗可以直觀反映出焊縫強度，沖擊試驗體現(xiàn)焊縫韌性，而彎曲試驗則可以體現(xiàn)出接頭與管體兩種材料經(jīng)過摩擦焊接后的融合性。

1 焊區(qū)機械性能試驗異常

渤海能克鉆桿有限公司生產(chǎn)的材料為S135 鋼級、外徑為127 mm 的鉆桿，其焊縫做橫向側(cè)彎試驗時，其中1 組試樣突然發(fā)生斷裂。進行彎曲試驗時，先對焊線部位緩慢施加的垂直壓力，同時對試樣兩側(cè)施加水平推力，當(dāng)試塊彎曲至180°時試驗完成（圖1）。

圖1 彎曲試樣

根據(jù)API 5DP—2020《鉆桿產(chǎn)品規(guī)范》的要求，彎曲試驗中試樣彎曲達到180°后，焊區(qū)內(nèi)不應(yīng)有超過1 mm 的裂紋，而本次實驗中試樣卻發(fā)生了斷裂，如此明顯的試樣斷裂極不正常（圖2）。該批所有焊縫沖擊試驗數(shù)據(jù)見表1，對比后可以看出第4 組試樣沖擊值遠低于標(biāo)準(zhǔn)要求（-20 ℃，≥65 J）。而對該焊縫進行的2 組復(fù)取試驗結(jié)果顯示沖擊試驗和橫向彎曲試驗合格，說明該批次焊縫存在部分區(qū)域焊接不充分的現(xiàn)象，即接頭材料與管體材料經(jīng)過摩擦壓接后內(nèi)部沒有完全熔焊在一起。

圖2 斷裂后彎曲試樣

表1 焊縫沖擊試驗數(shù)據(jù)

2 斷裂原因分析

2.1 淬火裂紋分析

生產(chǎn)過程中，鉆桿焊接完后需要對焊區(qū)進行高溫淬火和回火，以降低焊縫的硬度、提高韌性。引起淬火裂紋的原因有很多，如淬火溫度過高、保溫時間過長，淬火冷卻方式不合理，沒有及時進行回火等。鉆桿壓接和焊后熱處理工藝是成熟工藝，生產(chǎn)過程中也嚴(yán)格執(zhí)行了工藝要求，查閱熱處理相關(guān)參數(shù)及溫度曲線后，并未發(fā)現(xiàn)參數(shù)錯誤或溫度異常波動等現(xiàn)象。同時，摩擦壓接及熱處理后的鉆桿焊接區(qū)域還要經(jīng)過100%的超聲波無損探傷檢測，如果存在淬火裂紋則超聲波檢測時會有傷波體現(xiàn)，對超聲波檢測儀的波形記錄進行追溯后仍未發(fā)現(xiàn)異常。根據(jù)經(jīng)驗判斷，試樣斷裂不是淬火裂紋引起的，而是焊接后材料本身存在問題。初步懷疑試樣內(nèi)部焊縫處存在夾雜物，但是由于形狀、位置等諸多原因，在超聲波檢測中很難發(fā)現(xiàn)夾雜物進而造成漏檢。

2.2 焊區(qū)夾雜物分析

由于初步懷疑焊縫材料出現(xiàn)問題，所以需要對焊縫取樣進行金相實驗（圖3）。

圖3 金相試塊

金相試驗通過顯微鏡對焊縫及其附近的金屬組織進行觀察，正常的焊縫組織應(yīng)該是均勻的的回火索氏體，晶粒度細小，能達到8 級以上。對試樣的斷面進行金相試驗，在顯微鏡下觀察，可以看出組織存在不正常的黑色點狀夾雜物，該黑色點狀物還伴有不易為超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的微小裂紋（圖4）。

圖4 金相分析

利用光譜儀對其中兩處元素進行分析，顯示測試點包含C、O、Te 元素，因此確定氧化雜質(zhì)是試樣斷裂的原因：①這些氧化物雜質(zhì)會使鉆桿焊縫處的母材融合不充分；②在經(jīng)過焊區(qū)熱處理時，這些雜質(zhì)再加上熱脹冷縮因素，使焊區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的可能性增加，從而會破壞焊區(qū)的機械性能，導(dǎo)致焊區(qū)的沖擊韌性下降、焊縫融合不充分，最終造成彎曲試驗時試樣發(fā)生斷裂。

3 解決方案

經(jīng)調(diào)查分析，夾雜物是在焊接前就存在，焊接過程中融合到焊縫中的。管體在焊接前需要對焊接端面進行車削，不存在夾雜物，只有成品接頭在焊接前未打磨端面，而且接頭還經(jīng)過了磷化處理，導(dǎo)致接頭摩擦壓接面殘留有氧化皮和磷化層。根據(jù)摩擦壓接的工藝評要求，壓接流量為18～22 mm（圖5）。

圖5 摩擦壓接曲線

從圖5 中可以看出，實驗焊縫的壓接流量已經(jīng)達到22 mm的上限值，仍沒有將全部雜質(zhì)在壓接過程中擠出，導(dǎo)致其混入焊縫，影響了焊縫性能。因此決定在摩擦壓接前對部分接頭端面進行機加工，車削掉接頭摩擦壓接面的雜質(zhì)與磷化層，使其完全露出金屬底色后再進行壓接。壓接熱處理后對焊縫取樣進行試驗，與未進行端面車削的焊縫進行對比（圖6）。

圖6 壓接端面的焊縫沖擊值對比

從對比實驗結(jié)果可以看出，清理接頭端面再進行壓接后的焊縫，其沖擊功得到提升，提高了焊縫韌性。彎曲試驗也表明，焊縫壓彎角度達到180°且未發(fā)生斷裂（圖7）。

圖7 清理壓接端面的焊縫彎曲試樣

4 結(jié)論

通過實驗分析摩擦壓接前端面雜質(zhì)混入焊縫，雖然對焊縫的強度影響不大，但會大大降低焊縫韌性，是鉆桿焊縫斷裂的主要原因。通過壓接前端面清理可以很好地提高焊縫性能，避免斷裂事故的發(fā)生。