陳 猛,余世杰,2,歐陽(yáng)志英,徐昌學(xué)

(1.上海海隆石油管材研究所,上海200949;2.西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都610500)

鉆桿是鉆油氣井的重要工具,其主要由管體和接頭通過(guò)摩擦焊接連接組成。在鉆井作業(yè)的過(guò)程中,鉆桿通過(guò)接頭螺紋部位進(jìn)行連接,鉆桿接頭承擔(dān)著連接鉆柱、傳遞扭矩和拉伸載荷等重要作用。鉆桿接頭的尺寸比鉆桿管體要大,且接頭螺紋處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯,是鉆柱最薄弱的部位。鉆桿接頭的服役條件較惡劣,接頭在使用過(guò)程中會(huì)受到多種載荷的復(fù)合作用,并受到鉆井液、地下水和油氣中腐蝕介質(zhì)的腐蝕,因而在鉆井過(guò)程接頭經(jīng)常發(fā)生失效造成井下事故[1-3]。此外,鉆桿在服役過(guò)程中在扭矩的作用下會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn),但是在卡轉(zhuǎn)、憋鉆時(shí)也會(huì)由于慣性作用發(fā)生反轉(zhuǎn),使上扣扭矩不足的鉆桿接頭出現(xiàn)螺紋松扣,同時(shí),鉆桿在定向井、水平井的鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)與井壁發(fā)生摩擦,在部分地層鉆桿受到很大的摩擦阻力,從而造成其接頭螺紋出現(xiàn)松扣,這會(huì)使鉆桿接頭螺紋在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷,最終發(fā)生早期的螺紋失效[4]。

2018年某鉆井公司在對(duì)一批起鉆后的鉆桿進(jìn)行無(wú)損探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)有多個(gè)接頭螺紋出現(xiàn)裂紋且發(fā)生刺漏,該批鉆桿接頭型號(hào)為NC50,接頭外徑為184.2 mm,內(nèi) 徑 為88.9 mm,接頭材料為37Cr Mn Mo鋼。為查明該接頭螺紋出現(xiàn)裂紋及刺漏的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

取2個(gè)失效接頭(均為公接頭)編號(hào)為1,2號(hào),分別進(jìn)行宏觀觀察。由圖1可見,肉眼無(wú)法觀察到1號(hào)接頭螺紋上的裂紋,螺紋表面磨損較輕微且存在黃褐色腐蝕產(chǎn)物;接頭大端面有輕微磨損,靠近大端面的螺紋第1,2牙牙面鍍磷層較完整;接頭小端面涂層完好,說(shuō)明小端面不存在磨損,小端面與接頭副臺(tái)肩面無(wú)接觸。由圖2可見,2號(hào)接頭靠近大端面的螺紋第3牙牙底存在一條裂紋,裂紋開口較大且沿著牙底呈周向擴(kuò)展,由此推斷裂紋已貫穿整個(gè)螺紋壁厚;在大端面及靠近大端面的螺紋處存在較嚴(yán)重的沖刷腐蝕形貌,這說(shuō)明主臺(tái)肩的密封面未起到密封作用[5]。由1,2號(hào)接頭的宏觀形貌可知,接頭螺紋未上扣到位造成主臺(tái)肩密封作用較差,同時(shí)接頭螺紋第3牙處受到動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用,在牙底產(chǎn)生裂紋,當(dāng)裂紋貫穿后,鉆桿內(nèi)部高壓鉆井液沿著螺紋牙底從密封端面噴出,由于流速較快,在較短的時(shí)間內(nèi)就形成沖刷腐蝕形貌。

圖1 1號(hào)鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different parts of No.1 drill pipe joint：a）whole；b）threads and large end face；c）small end face

圖2 2號(hào)鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of different parts of No.2 drill pipe joint：a）whole；b）large end face

將1,2號(hào)接頭沿縱向?qū)Π肫书_觀察接頭內(nèi)壁的宏觀形貌。由圖3可見,1號(hào)接頭內(nèi)壁涂層完好,螺紋第3牙和第2牙牙底的裂紋不明顯。由圖4 可見,2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋已經(jīng)貫穿到內(nèi)壁,內(nèi)壁裂紋周長(zhǎng)約為130 mm,裂紋兩側(cè)的涂層完好;螺紋裂紋從第3牙擴(kuò)展到第2牙,第3牙和第2牙牙底裂紋深度分別為20,16 mm,裂紋開口均位于螺紋牙底承載面一側(cè)。由1,2號(hào)接頭內(nèi)壁的宏觀形貌可知,裂紋起源于螺紋牙底,而且螺紋第3牙牙底裂紋為主裂紋,推斷此處在服役過(guò)程中受到的應(yīng)力最大;牙底裂紋在周向擴(kuò)展的同時(shí)向內(nèi)壁徑向擴(kuò)展,最后貫穿整個(gè)壁厚。

圖3 1號(hào)接頭內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of inner wall of No.1 joint

1.2 磁粉探傷分析

采用CDG-6000A/9000A 型熒光磁粉探傷機(jī)對(duì)1,2號(hào)接頭進(jìn)行磁粉檢傷。由圖5可見,1號(hào)接頭靠近大端的螺紋第3牙和第2牙牙底均有裂紋,第3牙裂紋長(zhǎng)度約占螺紋橫截面周長(zhǎng)的一半,第2牙裂紋長(zhǎng)度約為80 mm。由圖6可見,2號(hào)接頭螺紋第3牙貫穿的裂紋沿著螺紋牙底擴(kuò)展到第2牙,裂紋周長(zhǎng)大于螺紋所在橫截面的周長(zhǎng)。

圖4 2號(hào)接頭內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of inner wall of No.2 joint

圖5 1號(hào)接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果Fig.5 Magnetic particle inspection results of No.1 joint thread：a）the third tooth crack；b）the second tooth crack

1.3 化學(xué)成分分析

在1 號(hào)接頭上取樣,按照ASTM E415-08Standard Test Method for Atomic Emission Vacuum Spectrometric Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel,用ARL 4460 OES型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示?？梢娊宇^的化學(xué)成分符合API SPEC 5DP－2009 (R2015)Specification forDrill Pipe對(duì)37Cr Mn Mo鋼的要求。

圖6 2號(hào)接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果Fig.6 Magnetic particle inspection results of No.2 joint thread

表1 1號(hào)接頭的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of No.1 joint（mass fraction） %

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

按照API SPEC 5DP－2009(R2015),在1號(hào)接頭上截取規(guī)格為φ12.5 mm 的圓棒拉伸試樣、尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的CVN 沖擊試樣以及厚度為10 mm 的條狀試樣。按照ASTM A370－2010Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products采用WAW-600型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,按照ASTM E23-07aStandard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials采用JBN-300型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊性能測(cè)試,按照ASTM E10-18Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials采用DHB-3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。由表2和表3可見,1號(hào)接頭的拉伸性能、沖擊吸收能量和硬度均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)對(duì)37Cr Mn Mo鋼的要求。

表2 1號(hào)接頭的拉伸性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Tensile properties test results of No.1 joint

表3 1號(hào)接頭的沖擊性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Impact properties test results of No.1 joint J

表4 1號(hào)接頭的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Hardness test results of No.1 joint HB

1.5 金相分析

在1號(hào)接頭的大鉗部位、螺紋第3牙牙底裂紋周長(zhǎng)的中間部位、螺紋第2牙牙底裂紋周長(zhǎng)的中間垂直于裂紋處取樣,試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕,根據(jù)GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》采用GX51型倒置金相顯微鏡分別觀察1號(hào)接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織,以及螺紋第3牙牙底裂紋周長(zhǎng)中間部位和第2牙牙底裂紋周長(zhǎng)中間垂直于裂紋處浸蝕前后的顯微組織。由圖7可見,1號(hào)接頭大鉗部位的顯微組織為回火索氏體,晶粒度為8.5級(jí)。由圖8可見,第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口均位于牙底圓弧靠近承載面一側(cè),裂紋整體走向較平直,第3牙牙底裂紋深度約為4 mm,第2 牙牙底裂紋深度約為2.5 mm。由圖9可見,第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口兩側(cè)組織無(wú)明顯變化,仍為回火索氏體,裂紋尖端均較圓頓。

圖7 1號(hào)接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of No.1 joint tong after etching

圖8 1號(hào)接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋處浸蝕前的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of cracks on the bottom of the a）third and b）second teeth of No.1 joint thread before etching

圖9 1號(hào)接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋開口和尖端浸蝕后的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of（a，b）opening and（c，d）tip of cracks on the bottom of the （b，d）second and（a，c）third teeth of the No.1 joint thread after etching

根據(jù)GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,在2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋處取樣,試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用GX51型倒置金相顯微鏡觀察顯微組織。由圖10可見,2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋的顯微組織整體形貌與1號(hào)接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋的相似,裂紋開口也位于牙底承載面一側(cè),裂紋沿內(nèi)壁徑向擴(kuò)展,深度約為17 mm;裂紋開口、中部、近尖端和尖端兩側(cè)的顯微組織為回火索氏體,裂紋內(nèi)部填充有黑色的腐蝕產(chǎn)物且裂紋尖端較細(xì)。

圖10 2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋不同區(qū)域的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of different areas of crack of bottom of the third tooth of No.2 joint thread：a）whole，polished state；b）opening，etched state；c）middle，etched state；d）near tip，etched state；e）tip，etched state

1.6 斷口分析

分別將1號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋和1號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋人為打開觀察斷口的宏觀形貌,并采用TESCAN VEGA II XMH 型掃描電鏡觀察斷口裂紋尖端的微觀形貌。由圖11可見,靠近牙底黃褐色部位為裂紋處,銀灰色部位為人為打開處,裂紋尖端(圖11a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物,裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理＋韌窩形貌。由圖12可見,牙底至銀灰色交界的黃褐色部位為裂紋處,銀灰色部位為人為打開處,裂紋尖端(圖12a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物,裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理＋韌窩形貌。

2 分析與討論

由宏觀觀察結(jié)果可知,1號(hào)接頭靠近大端面的螺紋第1,2牙表面的鍍磷層完好,這表明公、母接頭螺紋上扣時(shí),螺紋1,2牙沒(méi)有接觸,通過(guò)對(duì)鉆桿接頭應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn),螺紋第3牙受到較大的應(yīng)力集中作用,由于兩個(gè)失效接頭主裂紋都在第三牙牙底,推測(cè)螺紋第3牙為裂紋起源處。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,1,2號(hào)接頭裂紋開口均靠近螺紋牙底承載面一側(cè),由此推測(cè)裂紋在產(chǎn)生和擴(kuò)展時(shí)受到較大的拉應(yīng)力。1號(hào)接頭螺紋牙底裂紋較淺。2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底的裂紋已經(jīng)貫穿到內(nèi)壁,且鉆桿內(nèi)部的高壓泥漿對(duì)靠近大端面一側(cè)的第1,2,3 牙沖刷腐蝕較嚴(yán)重,同時(shí)大端面也受到一定程度腐蝕,這表明失效接頭上扣不到位,導(dǎo)致公、母接頭螺紋咬合較松,在服役的過(guò)程中,螺紋牙底受到動(dòng)態(tài)載荷的作用。

圖11 1號(hào)接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM 形貌Fig.11 a）Macro morphology of fracture and b）SEM morphology of crack tip of No.1 joint

圖12 2號(hào)接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM 形貌Fig.12 a）Macro morphology of fracture and b）SEM morphology of crack tip of No.2 joint

2號(hào)接頭螺紋第3牙牙底裂紋為泥漿沖刷腐蝕所致。這是因?yàn)樵摻宇^臺(tái)肩面失去密封能力后,內(nèi)部高壓泥漿在向外環(huán)空低壓處流動(dòng)的過(guò)程中,由于高壓泥漿的沖擊載荷和腐蝕作用,接頭螺紋上的金屬發(fā)生流失和變形。2號(hào)接頭為雙臺(tái)肩鉆桿接頭,雙臺(tái)肩接頭設(shè)有主臺(tái)肩和副臺(tái)肩,其密封性與普通API (API SPEC 5DP － 2009 (R2015)Specification for Drill Pipe)標(biāo)準(zhǔn)接頭一樣,主要取決于主臺(tái)肩的接觸面壓力,副臺(tái)肩雖然能承擔(dān)部分扭矩,但密封作用較小。當(dāng)接頭螺紋緊密連接后,由于螺紋本身無(wú)密封性,內(nèi)外螺紋牙頂與牙底間存在間隙通道可流通液體,只要確保接頭主臺(tái)肩面密封良好,則不會(huì)發(fā)生泥漿沖刷腐蝕。由2號(hào)接頭的沖刷腐蝕形貌和斷口形貌分析結(jié)果可知,從螺紋外表面貫穿到內(nèi)壁的裂紋起源于螺紋牙底的疲勞裂紋,內(nèi)外螺紋主臺(tái)肩的密封性失效是導(dǎo)致接頭發(fā)生泥漿沖刷腐蝕的根本原因,這主要與接頭材料及公、母接頭螺紋參數(shù)配合情況、接頭上扣扭矩等因素有關(guān)[6-7]。

2.1 接頭材料分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,1號(hào)接頭的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)要求。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,1號(hào)接頭的顯微組織為回火索氏體。由斷口分析結(jié)果可知,裂紋已經(jīng)大部分穿透螺蚊但未立即斷裂,這表明該接頭滿足鉆桿“先刺后斷”的設(shè)計(jì)要求,由此排除由接頭材料缺陷造成泥漿沖刷腐蝕導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

2.2 公母接頭螺紋參數(shù)匹配性分析

鉆桿接頭只有內(nèi)外螺紋參數(shù)相互匹配才能達(dá)到理想的連接預(yù)緊效果,內(nèi)外螺紋如果存在錐度、螺距等參數(shù)誤差,也會(huì)造成螺紋連接配合不佳和密封臺(tái)肩面配合不到位,從而導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)錯(cuò)扣和粘扣,最終使密封臺(tái)肩面失效造成接頭發(fā)生刺漏。但從公、母接頭的宏觀形貌來(lái)看,螺紋面并未出現(xiàn)錯(cuò)扣和粘扣,由此推斷接頭內(nèi)外螺紋匹配良好,由此排除由公、母接頭螺紋參數(shù)不匹配導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

2.3 接頭上扣扭矩的影響分析

接頭上扣扭矩一般為API推薦的扭矩(非API接頭上扣扭矩為鉆具廠家推薦的扭矩)。雙臺(tái)肩接頭正常上扣時(shí),首先公、母接頭的主臺(tái)肩發(fā)生接觸,此時(shí)公、母接頭和副臺(tái)肩存在約為0.25 mm 的間隙,當(dāng)接頭上扣實(shí)際扭矩達(dá)到API推薦的扭矩時(shí),主臺(tái)肩會(huì)發(fā)生彈性壓縮變形直到副臺(tái)肩也發(fā)生接觸。如果接頭上扣實(shí)際扭矩低于API推薦的扭矩,將會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果:(1)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋接頭主臺(tái)肩面沒(méi)有足夠的接觸面壓,鉆井過(guò)程中接頭受到拉伸和彎曲載荷作用時(shí),內(nèi)外螺紋接頭的主臺(tái)肩面易發(fā)生分離,從而破壞接頭的密封性;(2)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋間配合松散,螺紋疲勞強(qiáng)度下降,從而引起疲勞裂紋[8]。

由2號(hào)接頭的沖刷腐蝕形貌可推測(cè)出,該接頭在發(fā)生刺漏時(shí),鉆桿中高壓泥漿有兩條流動(dòng)的循環(huán)回路,如圖13所示(實(shí)線箭頭代表由接頭副臺(tái)肩面開始的循環(huán)回路,虛線箭頭代表由接頭螺紋牙底貫穿裂紋開始的循環(huán)回路)。

圖13 2號(hào)接頭高壓泥漿流動(dòng)循環(huán)回路示意圖Fig.13 Schematic diagram of high pressure mud flow circulation circuit of No.2 joint

由圖13可見,由于公、母接頭主臺(tái)肩面接觸壓力不足,副臺(tái)肩也接觸不良,在拉伸載荷作用下公母接頭副臺(tái)肩脫離接觸,泥漿從副臺(tái)肩進(jìn)入螺紋通道。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷的作用下,主臺(tái)肩面局部短暫分離,高壓泥漿瞬間從內(nèi)部刺出,副臺(tái)肩面也發(fā)生局部沖刷腐蝕。這個(gè)時(shí)期持續(xù)時(shí)間較短,形成的沖刷腐蝕較輕微,這與2號(hào)接頭副臺(tái)肩面的腐蝕沖刷形貌(見圖2b))一致。

在上扣扭矩不足和拉伸載荷的共同作用下,2號(hào)接頭內(nèi)外螺紋間配合松動(dòng),螺紋牙底應(yīng)力分布發(fā)生變化,局部應(yīng)力集中加劇,造成螺紋處疲勞強(qiáng)度下降,在該接頭螺紋第2,3牙牙底形成多條疲勞裂紋,這些裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展,當(dāng)疲勞裂紋局部穿透后,在拉伸載荷作用下裂紋張開擴(kuò)大,形成的通道比副臺(tái)肩面的間隙要大,此時(shí)高壓泥漿液主要從穿透的裂紋進(jìn)入螺紋通道,極少?gòu)母迸_(tái)肩滲透,最終從失去密封性的主臺(tái)肩面沖出。該階段高壓泥漿沖刷腐蝕持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且破壞性較大,造成接頭裂紋至密封臺(tái)肩面之間的螺紋被大面積沖刷腐蝕,且沖刷腐蝕坑較深,最終形成接頭沖刷腐蝕的形貌[9-10]。

3 結(jié)論與建議

由于鉆桿接頭上扣扭矩不足,造成主臺(tái)肩面接觸壓力較小,內(nèi)外螺紋配合松散產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷,螺紋牙底應(yīng)力分布發(fā)生變化,局部應(yīng)力集中加劇,造成螺紋處疲勞強(qiáng)度下降在螺紋牙底形成疲勞裂紋源,疲勞裂紋擴(kuò)展穿透后,在拉伸載荷的作用下張開擴(kuò)大,導(dǎo)致內(nèi)部高壓泥漿液從副臺(tái)肩和貫穿裂紋流入螺紋通道,并由失去密封性的主臺(tái)肩面沖出并形成沖刷腐蝕,最終造成接頭出現(xiàn)刺漏失效。

建議鉆桿接頭按照API推薦的扭矩進(jìn)行上扣,以避免類似的情況再次發(fā)生。