李 皓， 曾德智， 高定祥， 劉 飛， 田 剛， 施太和

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2. 中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；3. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；4. 中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

在石油鉆井中，疲勞失效是鉆桿失效的重要形式。統(tǒng)計(jì)表明：鉆桿疲勞失效大多為接頭失效；鉆桿接頭存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對(duì)鉆桿疲勞失效有很大的影響。因此，評(píng)價(jià)鉆桿在應(yīng)力集中條件下的疲勞性能、對(duì)缺口的敏感性，以及研究應(yīng)力集中、加載程度對(duì)疲勞性能的影響，對(duì)評(píng)估缺口對(duì)鉆桿使用壽命的影響程度具有重要的意義。

Huang Bensheng等人[1]研究了H2S預(yù)腐蝕對(duì)S135鉆桿旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的影響，以及S135鉆桿被H2S損傷后的疲勞破壞機(jī)制。Zeng Dezhi等人[2]研究了H2S預(yù)腐蝕對(duì)S135鉆桿疲勞性能和疲勞裂紋萌生的影響。C. Ojanomare等人[3]通過多參數(shù)的權(quán)函數(shù)研究了鉆井過程中鉆桿疲勞裂紋增長(zhǎng)的過程。Liu Yonggang等人[4]基于服務(wù)條件、材料質(zhì)量、應(yīng)力和腐蝕等因素，進(jìn)行了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，研究了鉆桿的軸向開裂，并提出了預(yù)防鉆桿軸向開裂的措施。S. M. Zamani等人[5]研究認(rèn)為鉆井過程中鉆桿疲勞失效主要由復(fù)合載荷、綜合應(yīng)力、振動(dòng)和鉆井液腐蝕等造成，并提出了預(yù)防鉆桿失效的有效措施。Lin Yuanhua等人[6-9]采用多次重復(fù)沖擊疲勞試驗(yàn)測(cè)試了G105和S135鉆桿的沖擊疲勞性能，并采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法研究了雙臺(tái)肩鉆桿接頭應(yīng)力場(chǎng)的分布。Han Yan等人[10]統(tǒng)計(jì)分析了新疆油田S135鉆桿失效情況，結(jié)果表明，鉆桿失效原因?yàn)榱蚧飸?yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)上述研究可知：國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆桿失效的研究成果大多集中于腐蝕/預(yù)腐蝕、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂等方面，對(duì)于鉆桿接頭缺口疲勞性能和對(duì)缺口敏感性的研究卻鮮見報(bào)道。

因此，筆者以S135鉆桿材料為研究對(duì)象，在鉆桿接頭上沿軸向取樣，根據(jù)接頭螺紋牙型和應(yīng)力集中系數(shù)設(shè)計(jì)了光滑和缺口2種試樣，使用PQ-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并采用掃描電鏡（SEM）觀察S135鉆桿斷口的形貌，分析了S135鉆桿接頭缺口的疲勞行為。

1 S135鉆桿接頭疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以S135鉆桿為研究對(duì)象，在鉆桿接頭上沿軸向取樣，作為試驗(yàn)試樣。S135鉆桿接頭中C，Si，Mn，P，S，Cr，Mo和 Ni等元素的含量分別為 0.370%、0.240%、0.960%、0.011%、0.007%、1.140%、0.320%和0.080%，符合API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S135鉆桿使用規(guī)范的要求。S135鉆桿材料的屈服強(qiáng)度為1 034 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 137 MPa，延伸率為17.29%，沖擊功為103 J，洛氏硬度為331。

1.2 試驗(yàn)方案

鉆桿接頭螺紋斷裂和刺漏是鉆桿失效的主要形式之一[11-12]。鉆桿接頭存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，可使鉆桿在循環(huán)載荷下迅速斷裂[6]。當(dāng)前使用的鉆桿大多存在螺紋應(yīng)力集中過大產(chǎn)生的缺口疲勞問題（見圖1）。

圖1 鉆桿接頭疲勞失效位置Fig. 1 Fatigue failure position of drill pipe joint

為研究螺紋應(yīng)力集中對(duì)鉆桿接頭疲勞性能的影響，設(shè)計(jì)了光滑試樣和缺口試樣。光滑試樣如圖2所示?；阢@桿接頭螺紋牙形，設(shè)計(jì)了V形缺口試樣。缺口幾何參數(shù)定義（缺口深度H、缺口張角α、缺口根部半徑R）如圖3所示，缺口試樣如圖4所示。

圖2 光滑試樣（單位：mm）Fig. 2 Smooth specimen (unit： mm)

圖3 V形缺口幾何特征和參數(shù)定義Fig. 3 The geometric feature and parameter definition of V-notch

采用SolidWorks軟件對(duì)光滑試樣和缺口試樣進(jìn)行有限元分析。當(dāng)施加彎曲載荷時(shí)，光滑試樣漏斗部位的等效應(yīng)力場(chǎng)如圖5所示。由圖5可以看出，光滑試樣試驗(yàn)部位應(yīng)力場(chǎng)線平行分布，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)施加彎曲載荷時(shí)，缺口試樣缺口部位的等效應(yīng)力場(chǎng)分布如圖6所示。由圖6可以看出，缺口根部的應(yīng)力最大，缺口改變了應(yīng)力場(chǎng)的分布，缺口根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

筆者通過試驗(yàn)研究缺口應(yīng)力集中對(duì)S135鉆桿接頭疲勞性能的影響，具體試驗(yàn)方案見表1。

圖4 缺口試樣（單位：mm）Fig. 4 Notch specimen (unit： mm)

圖5 光滑試樣的等效應(yīng)力云圖Fig. 5 Equivalent stress nephogram of a smooth specimen

圖6 缺口試樣的等效應(yīng)力云圖Fig. 6 Equivalent stress map of notched specimen

表1 缺口應(yīng)力集中對(duì)S135鉆桿疲勞性能影響的試驗(yàn)方案Table 1 Test Scheme for the Influence of Notch Stress Concentration on Fatigue Behavior of S135 Drill Pipe

1.3 試驗(yàn)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》，使用PQ-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行S135鉆桿接頭缺口疲勞試驗(yàn)，根據(jù)S135鉆桿的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)設(shè)計(jì)多級(jí)應(yīng)力水平，從低到高逐級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。采用升降配對(duì)法計(jì)算S135鉆桿的疲勞極限，采用成組法測(cè)定S135鉆桿的有限疲勞壽命，具體試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[14-15]。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

采用三參數(shù)冪函數(shù)S-N模型（見式（1））擬合S135鉆桿材料的S-N曲線。

三參數(shù)冪函數(shù)S-N模型為：

將式（1）線性化可得：

三參數(shù)冪函數(shù)S-N曲線模型有，m和C共3個(gè)參數(shù)，先用線性相關(guān)系數(shù)優(yōu)化法求得，然后再用最小二乘法擬合求出m和C[16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞強(qiáng)度對(duì)缺口的敏感性

圖7為5種試樣的應(yīng)力水平升降形式及疲勞強(qiáng)度S-1。根據(jù)圖7中的測(cè)試結(jié)果，繪制應(yīng)力集中系數(shù)Kt與S-1的關(guān)系曲線，并進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨Kt增大，S-1逐漸降低，對(duì)S-1的影響逐漸增大，S-1與Kt的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系（S-1=634.85）。

圖7 不同應(yīng)力集中系數(shù)Kt下應(yīng)力升降示意圖Fig. 7 Schematic diagram of stress fluctuation under different Kt

圖8 應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 8 Relationship between stress concentration factor and fatigue strength

表2 缺口疲勞系數(shù)及缺口敏感性計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of notch fatigue coefficient and notch sensitivity

2.2 應(yīng)力-壽命曲線的繪制及分析

筆者測(cè)試了5種試樣在7級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命，基于5種試樣在7級(jí)應(yīng)力水平線的中值壽命N50，利用式（1）擬合了5種試樣的S-N曲線及方程，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同應(yīng)力集中程度下的S-N曲線Fig. 9 S-N cures at different stress concentration degrees

由圖9可知：Kt為1.00時(shí)的疲勞壽命最長(zhǎng)，Kt為4.10時(shí)疲勞壽命最短；隨Kt增大，S-N曲線逐漸向左下角移動(dòng)，Kt對(duì)疲勞壽命的影響逐漸增大。因此，對(duì)鉆桿接頭螺紋牙型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低螺紋的應(yīng)力集中程度，提高鉆桿的疲勞壽命，從而降低鉆桿失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 疲勞斷口分析

圖10為通過掃描電鏡（SEM）觀察到的光滑試樣的斷口形貌，其中（a）為高應(yīng)力下斷口的整體形貌，（b）為高應(yīng)力下疲勞源區(qū)的形貌，（c）為低應(yīng)力下斷口的整體形貌，（d）為低應(yīng)力下疲勞源區(qū)的形貌。由圖10可以看出：高低應(yīng)力條件下疲勞裂紋都從試樣邊緣局部開始萌生，隨著循環(huán)應(yīng)力的作用向內(nèi)部擴(kuò)展，超過亞穩(wěn)定臨界狀態(tài)后快速失穩(wěn)斷裂；斷口存在光滑的裂紋源區(qū)A、穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展區(qū)B和粗糙的瞬間斷裂區(qū)C；高應(yīng)力下，B區(qū)的面積較小，C區(qū)的面積較大，裂紋粗而?。坏蛻?yīng)力下，B區(qū)的面積較大，C區(qū)的面積較小，裂紋細(xì)而密。

圖10 光滑試樣在空氣中的疲勞斷口Fig. 10 Fatigue fracture of a smooth specimen in air

圖11 和圖12 分別為通過掃描電鏡（SEM）觀察到的Kt為2.23和4.11時(shí)缺口試樣的斷口形貌，其中（a）為高應(yīng)力下斷口的整體形貌，（b）為高應(yīng)力下疲勞源區(qū)的形貌，（c）為低應(yīng)力下斷口的整體形貌，（d）為低應(yīng)力下疲勞源區(qū)的形貌。由圖11和圖12可知：疲勞裂紋從缺口根部開始萌生（存在多個(gè)裂紋源A1、A2，A3，…），呈環(huán)形向內(nèi)部擴(kuò)展，C區(qū)位于試樣中心；高應(yīng)力下裂紋萌生區(qū)存在明顯的撕裂痕跡（見圖12（b）），斷口比較粗糙，疲勞裂紋在表面質(zhì)點(diǎn)處萌生（見圖11（b）），疲勞條帶較粗、較明顯（見圖11（b）、圖12（b））；低應(yīng)力下斷口比較光滑、平整（見圖11（d）和圖12（d））。

圖13為通過掃描電鏡（SEM）觀察到的Kt為3.01時(shí)低應(yīng)力（267 MPa）作用下缺口試樣斷口的形貌，其中（a）為斷口的整體形貌，（b）為疲勞源區(qū)的形貌。通過比較圖11、圖12和圖13中Kt分別為2.23、3.01和4.11時(shí)，低應(yīng)力（267 MPa）作用下斷口的形貌可知：裂紋從缺口根部表面開始萌生（見圖11（d）、圖12（d）和圖13（b）），在相同應(yīng)力下，隨Kt增大缺口根部的撕裂程度逐漸減弱，斷口表面的B區(qū)逐漸變得平整、光滑，C區(qū)的粗糙程度降低、面積減?。ㄒ妶D11（c）、圖12（c）和圖13（a））。

圖11 缺口試樣在空氣中的疲勞斷口（Kt=2.23）Fig. 11 Fatigue fracture of notch specimen in air (Kt=2.23)

圖12 缺口試樣在空氣中的疲勞斷口（Kt=4.11）Fig. 12 Fatigue fracture of notch specimen in air (Kt=4.11)

3 結(jié) 論

1）S135鉆桿接頭的疲勞行為具有選擇性。光滑試樣（Kt=1）的疲勞裂紋通常從表面或亞表面最敏感、最脆弱的部位開始萌生（呈單源開裂），裂紋呈扇形向內(nèi)擴(kuò)展，瞬斷區(qū)位于斷口邊緣、呈月牙狀；缺口試樣（Kt＞1）的裂紋從缺口根部開始萌生，存在多源性（呈環(huán)形排列），裂紋呈環(huán)形向內(nèi)部擴(kuò)展，瞬斷區(qū)位于斷口中心區(qū)域附近、呈圓餅狀。因此，缺口決定了疲勞裂紋萌生的部位和裂紋擴(kuò)展的方式。

圖13 Kt=3.01缺口試樣在空氣中的疲勞斷口Fig. 13 Fatigue fracture of notch sample in air(Kt=3.01)

2）S135鉆桿接頭的疲勞行為對(duì)缺口具有一定的敏感性。在相同應(yīng)力下，隨缺口根部半徑R減?。↘t增加），缺口根部的撕裂現(xiàn)象減弱，斷口變得光滑、平整，疲勞裂紋變得細(xì)而密。因此，建議減小鉆桿接頭螺紋牙根部半徑，以降低接頭螺牙齒根的應(yīng)力集中程度，增強(qiáng)鉆桿接頭抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，提高鉆桿疲勞壽命。