摘 要：某隨鉆測井儀作業(yè)后發(fā)現(xiàn)鉆鋌接頭內(nèi)螺紋存在裂紋，造成該儀器無法作業(yè)；通過斷口微觀形貌分析、能譜分析、化學(xué)成分分析、硬度檢驗(yàn)、金相組織分析來綜合確定裂紋的產(chǎn)生機(jī)理并提出預(yù)防措施。分析結(jié)果表明：在腐蝕環(huán)境和復(fù)雜應(yīng)力條件下，接頭內(nèi)螺紋裂紋始于齒頂側(cè)壁的凹坑，開裂形式為穿晶解理斷裂，兼具腐蝕疲勞斷裂與應(yīng)力腐蝕開裂；且鉆鋌材質(zhì)沿晶界存在較多的沉淀，導(dǎo)致腐蝕敏感程度增加，也是裂紋產(chǎn)生機(jī)理之一。

關(guān)鍵詞：隨鉆測井儀；鉆鋌；內(nèi)螺紋；裂紋；失效分析

中圖分類號(hào)：TE921.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Failure analysis of internal thread cracks in the drill collar joint of a logging tool while drilling

ZHU Yuning¹， QIN Caihui¹， WANG Yiyi¹， JI Xinbiao¹， CAO Yunfeng¹， JIANG Fan¹， SUN Ruixuan²

（1. China Oilfield Services Limited. Langfang 065000，Hebei，China;2. China National Offshore Oil Corporation （Tianjin） Pipeline Engineering Technology Co．，Ltd. Tianjin 300450， China）

Abstract： After operating a logging tool while drilling，it was found that there were cracks in the internal threads of the drill collar joint，causing the tool to be unable to operate; By analyzing the microstructure of the fracture surface，energy spectrum analysis，chemical composition analysis，hardness testing，and metallographic structure analysis，the mechanism of crack formation is comprehensively determined and solutions are proposed. The analysis results indicate that under corrosive environments and complex stress conditions，the internal thread cracks in the joint originate from pits on the tooth top sidewall，and the cracking form is transgranular cleavage fracture，which combines corrosion fatigue fracture and stress corrosion cracking; One of the mechanisms behind crack formation is the increased corrosion sensitivity caused by the presence of numerous precipitates along grain boundaries in the material of drill collars.

Key words： while drilling logging tool; drill collar; internal thread; cracks; failure analysis

0 引 言

隨鉆測井儀可連接鉆具來實(shí)現(xiàn)邊鉆邊測，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于大斜度井、水平井，提升了油層鉆遇率，發(fā)展前景廣闊^［1］。

不同功能的隨鉆測井儀連接由石油鉆桿接頭螺紋^［2-3］連接；隨鉆測井儀器在井下工作時(shí)，由于處在地層高溫高壓、鉆井液沖蝕和腐蝕等惡劣環(huán)境中，同時(shí)還承受拉、壓、彎、振動(dòng)等交變載荷，導(dǎo)致儀器鉆鋌的接頭螺紋產(chǎn)生裂紋失效事故，繼而使儀器存在維修、報(bào)廢及落井的風(fēng)險(xiǎn)^［4］，因此，分析接頭內(nèi)螺紋裂紋的產(chǎn)生機(jī)理有助于找到保護(hù)措施，以提高該隨鉆測井儀的使用壽命及可靠性。

1 失效事故概述

某隨鉆測井儀在伊拉克地區(qū)作業(yè)110 h后，鉆鋌接頭內(nèi)螺紋（5 1/2FH）發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖1所示（白色痕跡處）。裂紋距接頭端面L₀=26.8 mm處，裂紋始于螺牙斜面處（如圖2所示），沿軸向分布，由內(nèi)壁往徑向擴(kuò)展，末端尚未穿透。

該隨鉆測井儀所用鉆鋌的原材料為15-15 HS MAX（高氮鉻錳不銹鋼），本次鉆井工況：鉆進(jìn)時(shí)間84.88 h，進(jìn)尺670 m，鉆壓2～12 t，轉(zhuǎn)速80～100 r·min^-1，鉆井液排量4 200 L/min，泵壓15～25 MPa，扭矩6～25 kN·m，相關(guān)數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)。

2 斷口微觀形貌分析

2.1 斷口表面形貌

用鉬絲切割下整體裂紋部位，沿裂紋方向拉開后獲得斷口，如圖3所示，用掃描電子顯微鏡觀察裂紋斷口的源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)形貌。

裂紋源區(qū)位于齒頂側(cè)面的一處凹坑，凹坑內(nèi)部可見多個(gè)深腐蝕凹坑，裂紋源上存在白亮的腐蝕泥紋花樣特征，如圖4（a）～4（d）所示，可說明裂紋源的形成與腐蝕有關(guān)。

裂紋擴(kuò)展區(qū)具有典型的魚骨狀解理花樣^［5］，如圖5所示；并在擴(kuò)展區(qū)后端有解理臺(tái)階和解理扇形，說明接頭內(nèi)螺紋的裂紋為穿晶解理脆性斷裂。穿晶解理通常發(fā)生在體心立方和密排六方點(diǎn)陣的晶格中，面心立方晶格（奧氏體不銹鋼）很少發(fā)生穿晶解理斷裂，但在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的共同作用下，穿晶解理會(huì)沿著奧氏體不銹鋼晶格的孿晶界和{111}面發(fā)生并擴(kuò)展。

放大觀察倍數(shù)后可在疲勞弧線密集區(qū)域觀察到間距均勻且細(xì)密的微觀脆性疲勞條帶^［6］，如圖7所示，說明鉆鋌在工作中除承受高強(qiáng)度的拉、壓、彎、扭等交變載荷外，還疊加有高頻率的振動(dòng)。

斷口表面為腐蝕泥紋花樣與疲勞條帶并存的形貌，結(jié)合鉆鋌的受力狀況和工作環(huán)境，說明其在交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境相交作用下產(chǎn)生了腐蝕疲勞脆性裂紋^［7］。

2.2 斷口截面形貌

斷口截面的晶界處伴有大量沉淀相，如圖8所示；同時(shí)存在多處穿晶大裂紋，主疲勞裂紋擴(kuò)展后還出現(xiàn)二次裂紋，如圖9所示，多分枝特征及二次裂紋尾部較尖是典型的應(yīng)力腐蝕開裂^［8］的形貌特征。

3 凹坑能譜微區(qū)分析

對(duì)裂紋源區(qū)凹坑進(jìn)行能譜微區(qū)檢測后發(fā)現(xiàn)存在S/Cl/Pb等元素，如圖10及表1所示，分析來自鉆鋌以外的腐蝕性介質(zhì)。其中鉛元素導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的機(jī)理^［9］是沉積在合金表面的鉛占據(jù)了OH的吸附位點(diǎn)，干擾了保護(hù)性氧化物（如Cr2O3等）的形成，造成了Fe的優(yōu)先溶解，使裂紋尖端氧化膜的修復(fù)速度降低，金屬的溶解速度加快，促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

4 材質(zhì)理化性能分析

切割選取靠近鉆鋌接頭內(nèi)螺紋裂紋附近的失效件進(jìn)行化學(xué)成分、硬度、金相分析。

4.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)失效件取樣進(jìn)行化學(xué)成分測試，檢測結(jié)果如表2所示，化學(xué)成分符合技術(shù)要求。另外，鑒于裂紋源凹坑能譜檢測到鉛元素，故在化學(xué)成分檢測中重點(diǎn)關(guān)注，結(jié)果未在鉆鋌本體上檢測到鉛元素的存在。

4.2 硬度檢測

鉆鋌失效件的布氏硬度測試結(jié)果見表3，測得平均硬度符合技術(shù)要求。

4.3 金相組織分析

采用Zeiss倒置顯微鏡對(duì)失效件正常區(qū)域（圖11）和近斷口區(qū)域（圖12）分別進(jìn)行金相組織檢測。鉆鋌基體為奧氏體組織，含有少量孿晶，晶粒度評(píng)級(jí)為5.5級(jí)；正常區(qū)域與近斷口區(qū)域處均發(fā)現(xiàn)到明顯的沿晶界沉淀相，增加了15-15 HS MAX高氮鉻錳不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的敏感程度。另外，近斷口區(qū)域的晶粒較為粗大，伴有明顯的奧氏體晶粒內(nèi)部大量滑移線。

5 綜合分析

鉆鋌失效件取樣位置的化學(xué)成分、硬度、晶粒度符合材料技術(shù)要求中相關(guān)規(guī)定。鉆鋌失效件正常區(qū)域與近斷口區(qū)域處均發(fā)現(xiàn)到明顯的沿晶界沉淀相，增加了15-15 HS MAX發(fā)生晶間腐蝕的敏感程度。

鉆鋌接頭內(nèi)螺紋斷口具有其獨(dú)特的特征，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)到腐蝕泥紋花樣特征，存在S/Cl/Pb腐蝕產(chǎn)物；②斷口表面呈現(xiàn)有明顯的魚骨狀花樣、解理臺(tái)階、解理扇形的穿晶解理斷裂形貌，疲勞條帶間距均勻且細(xì)密表征了腐蝕疲勞開裂；③斷口截面存在二次裂紋，具有多分枝的特征且裂紋的尾部較尖，具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂的形態(tài)特征。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

（1） 儀器鉆鋌的接頭內(nèi)螺紋開裂起源于齒頂側(cè)壁的凹坑，開裂形式為穿晶解理斷裂，兼具腐蝕疲勞斷裂與應(yīng)力腐蝕開裂的形態(tài)特征。

（2） 裂紋源凹坑內(nèi)存在的較高的S/Cl/Pb等元素來自鉆鋌以外（鉆井液、海水）的腐蝕性介質(zhì)。

（3） 鉆鋌失效件的正常區(qū)域與近斷口區(qū)域處較多的沿晶界沉淀相，增加了腐蝕敏感程度。

6.2 建議

（1） 在鉆鋌的日常維護(hù)保養(yǎng)和儲(chǔ)存防護(hù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)其關(guān)鍵位置的清洗及防腐涂裝措施管理。

（2） 應(yīng)把控鉆鋌質(zhì)量，優(yōu)化熱加工工藝，嚴(yán)格控制沉淀相沿晶界析出程度，以降低材料耐腐蝕敏感程度。

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