李京川，趙金蘭，瞿婷婷，羅華權(quán)

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)高壓液體進(jìn)入鉆具時(shí)，使轉(zhuǎn)子在定子中滾動(dòng)，馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)萬(wàn)向軸傳遞到傳動(dòng)軸和鉆頭上，達(dá)到鉆進(jìn)的目的。螺桿鉆具通常由旁通閥、馬達(dá)節(jié)、傳動(dòng)軸和萬(wàn)向軸等部件組成，其服役環(huán)境較為惡劣，技術(shù)要求較高，近年來(lái)油氣田發(fā)生了一些螺桿鉆具失效事故，本文對(duì)某井作業(yè)中螺桿鉆具的傳動(dòng)軸半環(huán)斷裂失效進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 斷裂失效概況

某油井進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，螺桿鉆具的傳動(dòng)軸半環(huán)發(fā)生斷裂并落井，該螺桿鉆具斷裂發(fā)生時(shí)，在該油井中的純鉆時(shí)間為15.57 h，循環(huán)時(shí)間為18.82 h。該斷裂螺桿鉆具傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)兩次保養(yǎng)，傳動(dòng)軸的累積工作時(shí)間為260 h，純鉆進(jìn)時(shí)間196 h。傳動(dòng)軸斷裂位置示意圖如圖1所示，失效樣品長(zhǎng)度約200 mm，其宏觀形貌如圖2所示。

圖1 螺桿鉆具傳動(dòng)軸斷裂位置示意圖

圖2 失效樣品宏觀形貌

該螺桿鉆具傳動(dòng)軸斷口距離傳動(dòng)軸變徑處約20 mm，此處直徑大于小頭螺紋處的直徑，斷裂位置不是螺桿工作時(shí)的共振點(diǎn)，即不是螺桿鉆具傳動(dòng)軸的危險(xiǎn)截面[1-4]，且該螺桿鉆具傳動(dòng)軸純鉆進(jìn)時(shí)間僅為196 h，即45 r/min×60 min/h×196 h=529 200 r。

該失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸的規(guī)格為Ф124 mm×36.5 mm，生產(chǎn)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5383—2010《螺桿鉆具》。

2 宏觀分析

失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸斷口宏觀形貌如圖3所示，斷口表面分為高、低兩個(gè)斷面，較低斷面約占斷面的五分之三。兩個(gè)斷面都很平坦，且已發(fā)生了嚴(yán)重銹蝕。較低的斷面內(nèi)存在明顯的剪切唇區(qū)域，較高的斷面內(nèi)存在一處撕裂區(qū)域，該斷口的全部表面均覆蓋著一層較厚的腐蝕產(chǎn)物，斷口邊緣存在一些棘輪狀形貌。失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸斷裂起源于螺桿鉆具傳動(dòng)軸的外表面，且裂紋源有多處，其中較高斷面上有1個(gè)裂紋源，位于外表面圓弧段1；較低斷面上有4個(gè)裂紋源，分別位于編號(hào)為2的外表面圓弧段區(qū)域、紅色箭頭所指的第3、4和5區(qū)域。

圖3 失效樣品斷口宏觀形貌

3 理化性能試驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分分析

用ARL 4460直讀光譜儀，依據(jù)GB/T 4336—2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

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

3.2 拉伸試驗(yàn)

在斷裂失效的螺桿鉆具傳動(dòng)軸上取縱向圓棒拉伸試樣，用UTM5305材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可見(jiàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5383—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

在斷裂失效的螺桿鉆具傳動(dòng)軸上取縱向夏比沖擊試樣，用PIT752D-2沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5383—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 布氏硬度試驗(yàn)

在斷裂失效的螺桿鉆具傳動(dòng)軸上取硬度環(huán)試樣，用BH3000硬度計(jì)，依據(jù)GB/T 231.1—2018標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可見(jiàn)，布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5383—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

4 金相分析

在斷裂失效的螺桿鉆具傳動(dòng)軸上取金相試樣，用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡，依據(jù)GB/T 10561—2005、GB/T 13298—2015和GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相分析，結(jié)果見(jiàn)表5，斷裂失效的螺桿鉆具傳動(dòng)軸材料的金相組織如圖4所示。

表5 金相分析結(jié)果

圖4 螺桿鉆具傳動(dòng)軸金相組織

在斷裂失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸的斷口上取樣進(jìn)行金相分析，取樣位置如圖5所示，分析結(jié)果如圖6～圖17所示。

圖5 金相取樣位置示意圖

圖6 2#源區(qū)外表面裂紋形貌

圖7 2#源區(qū)外表面裂紋放大形貌-1

以上金相試驗(yàn)結(jié)果表明，2#源區(qū)組織為回火索氏體，2#源區(qū)外表面存在多處裂紋(圖6～圖9)，且裂紋方向與斷口平行，最大深度為0.3 mm。從圖8的金相組織形貌可見(jiàn)，初始裂紋在腐蝕坑的切線方向，這說(shuō)明裂紋先形成于腐蝕坑。1#剪切唇瞬斷區(qū)凹陷部位由于受擠壓，擠壓嚴(yán)重部位有淺層白亮馬氏體組織(圖10)。3#瞬斷撕裂區(qū)裂紋曲折擴(kuò)展，撕裂部位同樣存在淺層白亮馬氏體組織(圖11)，裂紋周圍組織未見(jiàn)異常，均為回火索氏體。

圖8 2#源區(qū)外表面裂紋放大形貌-2

圖9 2#源區(qū)外表面裂紋放大形貌-3

圖10 1#內(nèi)表面附近凹坑組織變形形貌

圖11 3#撕裂處斷口白亮層形貌

4#源區(qū)斷口外表面至螺桿鉆具傳動(dòng)軸過(guò)渡段10 mm部位均存在白亮馬氏體組織，如圖12所示。5#源區(qū)試樣圓弧過(guò)渡區(qū)(距離斷口約20 mm的傳動(dòng)軸變徑處)外表面存在多處微裂紋，最大裂紋深度為0.5 mm，裂紋呈穿晶形態(tài)擴(kuò)展。圓弧過(guò)渡區(qū)裂紋部分距離斷口約為20 mm，且裂紋方向與斷口平行，如圖13～圖17所示。

圖12 4#斷口附近外表面白亮層形貌及對(duì)應(yīng)位置

圖13 5#斷口外表面白亮馬氏體組織及撕裂形貌

圖14 5#過(guò)渡區(qū)外表面裂紋形貌

圖15 5#過(guò)渡區(qū)外表面裂紋組織形貌

圖16 5#過(guò)渡區(qū)外表面裂紋組織形貌

圖17 5#過(guò)渡區(qū)外表面裂紋穿晶形貌

5 斷口掃描電鏡分析

對(duì)斷裂失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸的斷口表面進(jìn)行微觀分析，由于斷口表面銹蝕嚴(yán)重，無(wú)法顯示其原始形貌。將失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸1#瞬斷剪切唇區(qū)斷口放置于酒精溶液中用超聲波振動(dòng)法清洗該斷口表面，清洗完成后用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口表面進(jìn)行顯微形貌分析。經(jīng)過(guò)掃描電鏡微觀形貌分析，該瞬斷剪切唇區(qū)為韌窩形貌，如圖18所示。采用能譜分析儀對(duì)裂紋表面覆蓋的灰色腐蝕產(chǎn)物及止裂部位灰色非金屬物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果如圖19所示，斷口內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果見(jiàn)表6。由能譜分析結(jié)果表明，裂紋內(nèi)灰色非金屬物質(zhì)的主要組成元素為Fe、C、O、Cl、S等，由此說(shuō)明該裂紋表面及裂紋內(nèi)產(chǎn)物主要是鐵的氧腐蝕，且腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有Cl-。

圖18 1#剪切唇瞬斷區(qū)形貌

圖19 斷口腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果

表6 斷口內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

6 綜合分析

斷裂失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸的拉伸、夏比沖擊和布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，其機(jī)械性能指標(biāo)值符合SY/T 5383—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中其材料的布氏硬度平均值為347HBW，硬度值較高。根據(jù)斷裂失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸進(jìn)行化學(xué)成分分析結(jié)果進(jìn)行判斷，其材料應(yīng)為36CrNiMo4或40CrNiMo。斷裂失效螺桿鉆具傳動(dòng)軸進(jìn)行金相分析結(jié)果表明，其主要金相組織為回火索氏體。

從裂紋的宏觀形貌分析可知，斷裂起源于螺桿鉆具傳動(dòng)軸外表面，且裂紋源有多處。裂紋在整個(gè)圓周呈多源啟裂和擴(kuò)展形態(tài)。

根據(jù)裂紋形貌金相分析結(jié)果，裂紋源區(qū)斷口外表面及傳動(dòng)軸變徑處存在多處穿晶微裂紋，且裂紋方向與斷口平行，裂紋最大深度為0.5 mm。斷口至傳動(dòng)軸變徑10 mm處存在異常白亮馬氏體組織，導(dǎo)致該部位出現(xiàn)白亮馬氏體組織原因?yàn)椋?)螺桿鉆具傳動(dòng)軸服役過(guò)程中由于摩擦磨損產(chǎn)生了白亮馬氏體組織[5]。2)螺桿鉆具傳動(dòng)軸制造過(guò)程中的磨削加工產(chǎn)生了白亮馬氏體組織。

斷口表面進(jìn)行能譜分析結(jié)果表明，裂紋內(nèi)灰色非金屬物質(zhì)的主要組成元素為Fe、C、O、Cl、S等，主要是鐵的氧腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有加速腐蝕的Cl-。

綜上所述，螺桿鉆具傳動(dòng)軸上馬氏體組織和裂紋是由服役過(guò)程中的劇烈摩擦或者制造過(guò)程中的磨削加工而導(dǎo)致，因斷裂樣品發(fā)生了嚴(yán)重銹蝕，無(wú)法確定該裂紋是產(chǎn)生于服役環(huán)節(jié)還是產(chǎn)生于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。螺桿鉆具傳動(dòng)軸在使用過(guò)程中，由于旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力和Cl-的共同作用，其外表面上的裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致最終斷裂失效。

7 結(jié) 論

該螺桿鉆具傳動(dòng)軸斷裂失效的主要原因?yàn)樵搨鲃?dòng)軸外表面存在大量裂紋，螺桿鉆具傳動(dòng)軸在使用過(guò)程中，由于旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力和Cl-的共同作用，其外表面上的裂紋快速擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂失效。