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，起著傳輸動力輸送鉆井液的作用。在一些定向井或者水平井鉆進過程中鉆桿外壁與井壁會發(fā)生摩擦、磨損，經(jīng)常會被一些質(zhì)地較為堅硬的巖石劃傷，例如一些井內(nèi)含有物相質(zhì)地較為堅硬的SiO2(石英)和Al2O3(剛玉)時，其巖石顆粒硬度可達到莫氏硬度6～7，而一般情況下鋼制鉆桿的莫氏硬度在4～5之間，這種巖石會對鉆桿外壁造成嚴(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

對失效鉆桿樣品進行磁粉分析，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，這是因為劃痕緊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直讀光譜儀對失效鉆桿進行化學(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

根據(jù)API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)，在送檢的樣品上遠(yuǎn)離刺漏點取寬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電液伺服萬能試驗機、JBN-300擺錘沖擊試驗機和600MRD數(shù)顯洛氏硬度計進行試驗，試驗結(jié)果見表2和表3。力學(xué)試驗結(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對送檢鉆桿進行金相分析，失效鉆桿的金相組織為回火索氏體，晶粒度等級為8.5，夾雜物評級結(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 鉆桿硬度試驗結(jié)果(HRC)

對刺孔上方的劃痕取金相試樣進行金相分析，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，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)生后會擴展較為順?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)域為刺穿的斷口形貌，表面由于經(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，扇形靠近外壁要寬，收縮于內(nèi)壁，扇形平臺表面存在黑色的氧化物，該區(qū)域為刺孔側(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，此平臺與新打開的斷口交界的區(qū)域為裂紋的擴展的尖端，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展是以疲勞的方式進行的。隨著疲勞裂紋的擴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，此時刺孔裂紋表面會受到泥漿的高速沖刷作用，刺穿的裂紋會逐漸張大(軸向?qū)挾茸兇?，刺孔周向隨著疲勞裂紋擴展，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)過金相分析得知劃痕深度約150 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)證實了這一點。

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。因為劃痕2裂紋擴展速度較快，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展會更加容易，此處會較為優(yōu)先形成疲勞裂紋并且快速擴展。劃痕1底部也會存在應(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，同時裂紋深度的增加應(yīng)力集中效果會愈增明顯，裂紋導(dǎo)致該區(qū)域的裂紋擴展速度越來越快，會快速刺穿鉆桿壁厚，此時鉆桿內(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，刺孔會急劇地長大(軸向?qū)挾茸兇螅芟蜷L度變長)。刺孔長大后該區(qū)域的主要應(yīng)力會集中在延伸的裂紋上，已經(jīng)刺穿的區(qū)域應(yīng)力會比較小或者為0，而劃痕1底部裂紋雖然前期也得到一定的擴展，但是此時由于刺孔的長大和擴展，該區(qū)域的應(yīng)力會比較小，所以劃痕1底部裂紋擴展出現(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，裂紋的形成和擴展都會領(lǐng)先于劃痕1底部的疲勞裂紋，最后劃痕2底部的裂紋快速擴展形成了刺穿形貌。劃痕1底部起初還會存在一定應(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)力將會集中于劃痕2底部，隨著劃痕2底部裂紋形成和快速擴展，劃痕1底部裂紋區(qū)尖端的應(yīng)力將會逐漸降低，劃痕2底部的裂紋刺穿后劃痕1底部的裂紋尖端將會變?yōu)?，此時劃痕1底部的裂紋會停止擴展[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，然后快速擴展形成刺穿。

5.2 建議

對使用過的鉆桿要及時清理表面泥漿，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；可對表面存在劃傷的鉆桿進行修磨處理，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。