一種鉆柱動(dòng)態(tài)疲勞斷裂性能測(cè)試裝置的研制及其測(cè)試結(jié)果分析

李強(qiáng)，林元華，武治強(qiáng)，孫永興，邢希金

1.中海油研究總院鉆采研究院（北京 100028）

2.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司（北京 100027）

3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川 成都 610500）

4.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院（四川 廣漢 618300）

0 引言

石油鉆井過程中，疲勞失效是鉆柱最主要的失效形式，其中鉆桿加厚過渡帶刺穿和鉆具螺紋斷裂最常見，嚴(yán)重影響了鉆井安全，一直是國(guó)內(nèi)外鉆桿生產(chǎn)廠家和石油鉆井研究的重點(diǎn)。很多專家學(xué)者對(duì)發(fā)生刺穿、斷裂失效的鉆桿進(jìn)行了失效分析，結(jié)果表明失效鉆桿材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、夏比沖擊韌性等指標(biāo)都符合或超過API 5D鉆桿標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。所以，現(xiàn)行鉆桿材料性能評(píng)價(jià)體系不能很全面地表征鉆桿材料性能，特別是其動(dòng)態(tài)疲勞斷裂性能[2-6]。

在參照旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂的沖擊試驗(yàn)臺(tái)。通過動(dòng)態(tài)疲勞斷裂來探討鉆柱失效的機(jī)理，以幫助鉆桿生產(chǎn)廠家找到改善鉆桿抗疲勞斷裂性能的指標(biāo)體系，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)鉆井優(yōu)選鉆桿材料提供參考。

1 動(dòng)態(tài)斷裂測(cè)試裝置研制及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試裝置研制

1）夏比沖擊韌性是在足夠大的沖擊載荷下一次測(cè)量得到的，但井下鉆柱裂紋的擴(kuò)展是在較低載荷且多次重復(fù)沖擊作用下的多沖疲勞斷裂，因此夏比沖擊韌性不能夠很好地反映井下真實(shí)情況。為此，參照夏比沖擊韌性試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)等方法和裝置，研制設(shè)計(jì)了一套可以模擬鉆柱在實(shí)際鉆井工況下的多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂測(cè)試方法和裝置。該裝置利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試樣以一定的周期打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體鄰近的砧板，以達(dá)到模擬鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多次重復(fù)沖擊的目的。根據(jù)上述方法，研制了一種模擬鉆井工況的多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂試驗(yàn)裝置。

2）設(shè)計(jì)該動(dòng)態(tài)斷裂測(cè)試裝置的原則[2-4]。①試樣與夏比沖擊試驗(yàn)試樣的尺寸相同，以便引用通用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)比分析研究；②動(dòng)態(tài)疲勞斷裂試樣的制作應(yīng)能夠反映材料的各向異性，即可以同時(shí)測(cè)量材料縱向的斷裂性能和橫向的斷裂性能。

材料動(dòng)態(tài)斷裂性能與試樣的尺寸、沖擊速度等有關(guān)，因此應(yīng)保證轉(zhuǎn)速、單次沖擊能量在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，通過一系列的試驗(yàn)材料，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)疲勞斷裂性能的可靠性。

3）依據(jù)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、試驗(yàn)精度高的原則，自行設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)疲勞斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)。圖1為動(dòng)態(tài)疲勞斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)原理圖及實(shí)物圖。

圖1 動(dòng)態(tài)疲勞斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)原理圖及實(shí)物圖

試驗(yàn)裝置的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)為YCT系列電機(jī)。該電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由拖動(dòng)電機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和控制器3部分組成，常用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的場(chǎng)合，在遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載中使用節(jié)能效果明顯。YCT（臥式）/YCTL（立式）系列電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)能在規(guī)定的調(diào)速范圍內(nèi)均勻、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并輸出額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)在運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)時(shí)可通過控制器的速度負(fù)反饋系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)離合器的勵(lì)磁電流，使輸出轉(zhuǎn)速保持不變。

4）動(dòng)態(tài)疲勞斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)原理[4]。利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試樣，以一定頻率打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體鄰近的砧板，達(dá)到模擬鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖動(dòng)態(tài)斷裂測(cè)試目的。

該動(dòng)態(tài)斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)主要包括：旋轉(zhuǎn)主盤、試樣座、調(diào)速電機(jī)、傳動(dòng)裝置、泥漿槽、砧板、底座。試樣座和旋轉(zhuǎn)主盤分別如圖2和圖3所示。

圖2 試樣座

當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被固定在試樣座上的試樣開始打擊砧板，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈打擊砧板一次。試樣打擊砧板后，試樣座以銷軸為中心向旋轉(zhuǎn)主盤旋轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)至橡膠塞位置，使試樣不再突出于旋轉(zhuǎn)主盤外沿，從而使旋轉(zhuǎn)主盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。試樣座靠近旋轉(zhuǎn)主盤中心一側(cè)處安裝橡膠塞，用以限定試樣座以銷軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度，并利用其彈性和旋轉(zhuǎn)主盤作圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，使試樣座在經(jīng)過砧板后回到試樣打擊砧板前的位置。

圖3 旋轉(zhuǎn)主盤

5）與現(xiàn)有測(cè)試裝置相比，本裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以模擬實(shí)際鉆井工況下的低載多沖擊疲勞，從而使測(cè)試結(jié)果更貼近真實(shí)鉆井工況；②通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)體主盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以控制試樣以某一頻率及沖擊載荷連續(xù)打擊砧板，從而利用多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量評(píng)價(jià)材料的動(dòng)態(tài)斷裂性能，保證了測(cè)試精度；③裝置價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)保養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用了鉆井常用的S135鉆桿材料的管體和加厚過渡帶部位，試驗(yàn)材料選自A、B兩個(gè)不同的廠家。圖4為鉆桿加厚過渡帶結(jié)構(gòu)示意圖，分別為鉆桿加厚過渡帶的厚部、薄部以及管體部位。

為了模擬鉆桿在使用中常出現(xiàn)的裂紋破壞形式，對(duì)鉆桿縱向（斷裂力學(xué)意義上的I型和II型裂紋）和橫向（斷裂力學(xué)意義上的III型裂紋）進(jìn)行切割取樣。鉆桿材料縱向和橫向切割取樣位置如圖5所示，具體尺寸為55 mm×10 mm×2.5 mm。

圖4 鉆桿加厚過渡帶結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

應(yīng)用自行研制的多次沖擊動(dòng)態(tài)疲勞斷裂沖擊試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)目前常用的S135鉆桿材料進(jìn)行了一系列測(cè)試研究，試驗(yàn)材料來自A、B兩個(gè)不同的廠家。

2.1 一次沖擊與多次沖擊的對(duì)比

表1為鉆桿管體縱向試樣在夏比沖擊（一次沖擊）斷裂時(shí)所吸收的能量與多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂時(shí)的累積吸收能量對(duì)比表（旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)速150 r/min，單次沖擊能量為2.21 J）。

表1 夏比沖擊能量與多沖累積能量對(duì)比

圖5 鉆桿材料縱向和橫向切割取樣位置示意圖

對(duì)比分析夏比沖擊能量與多沖累積能量，發(fā)現(xiàn)多沖累積能量的標(biāo)準(zhǔn)差只有夏比沖擊能量標(biāo)準(zhǔn)差的50%左右。由此可見：多沖方法比一次沖擊的夏比沖擊方法數(shù)據(jù)的波動(dòng)性小、可靠性高，因此用多沖方法評(píng)價(jià)鉆桿材料的沖擊性能更準(zhǔn)確。夏比沖擊能量反映材料的沖擊性能，多沖方法也能夠正確反映。同時(shí)多沖方法較真實(shí)地模擬了鉆柱振動(dòng)的特點(diǎn)，即鉆柱是在井下低載荷作用下多次沖擊疲勞失效的，測(cè)試結(jié)果能夠更真實(shí)地反映鉆桿材料的沖擊疲勞性能，與其他文獻(xiàn)結(jié)論基本一致[2-5]。

2.2 鉆桿材料縱橫向抗疲勞斷裂性能對(duì)比

在實(shí)際鉆井工況下，幾千米的鉆柱受到復(fù)雜的振動(dòng)和沖擊載荷的綜合作用，鉆柱受力的情況與裂紋走向之間的組合關(guān)系復(fù)雜，僅用縱向沖擊功不能全面表征材料的抗疲勞斷裂性能。因此，本試驗(yàn)測(cè)試了鉆柱材料縱向抗疲勞斷裂性能，還測(cè)試了橫向的抗多沖疲勞斷裂能力，并進(jìn)行對(duì)比分析研究。圖6分別為A廠和B廠生產(chǎn)的S135鉆桿管體材料縱、橫向試樣的多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量對(duì)比圖（轉(zhuǎn)速為120 r/min）。

圖6 鉆桿管體縱、橫向多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量

比較圖6中A廠S135鉆桿管體縱、橫向多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量，縱向累積能量約500 J，橫向累積能量約300 J，橫向多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量只有縱向的60%左右。同樣，圖6中B廠S135鉆桿管體縱橫向多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量，縱向累積能量330 J左右，橫向累積能量只有150 J左右，橫向只有縱向的40%～50%。這說明鉆桿材料的橫向抗沖擊斷裂性能明顯低于縱向，B廠鉆桿縱橫向差異比A廠更大。現(xiàn)場(chǎng)鉆井失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，B廠鉆桿發(fā)生刺穿、斷裂失效的情況比A廠鉆桿嚴(yán)重。因此，建議鉆標(biāo)生產(chǎn)廠家，不僅要保證鉆桿縱向的抗疲勞斷裂性能，還要同時(shí)保證鉆桿橫向的抗疲勞斷裂性能，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿縱橫向性能的均衡性。

2.3 鉆桿管體與加厚過渡帶抗疲勞斷裂性能對(duì)比

圖7中試樣取樣位置為S135鉆桿的管體和加厚過渡帶部位，且都為縱向試樣，轉(zhuǎn)速為150 r/min。從圖7（a）中可以看出鉆桿加厚過渡帶動(dòng)態(tài)斷裂的平均累積能量約為380 J，管體斷裂的平均累積能量約為430 J，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，說明A廠鉆桿材料均質(zhì)性較好；圖7（b）中鉆桿加厚過渡帶縱向試樣斷裂的平均累積能量約為190 J，而管體斷裂的平均累積能量約為260 J，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，說明B廠鉆桿均質(zhì)性較差。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)A、B兩個(gè)廠家生產(chǎn)的S135鉆桿的失效情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，B廠鉆桿發(fā)生失效較多。

圖7 鉆桿管體和加厚過渡帶多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂累積能量

對(duì)比圖7（a）和圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)：鉆桿管體部位數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，但加厚過渡帶部位波動(dòng)較大，特別是B廠鉆桿的加厚過渡帶部位波動(dòng)更大。說明鉆桿鐓粗加工過程會(huì)導(dǎo)致加厚過渡帶部位的材質(zhì)分布不均勻。這也是鉆桿在使用過程中刺穿、斷裂常常發(fā)生在加厚過渡帶部位的原因之一。

2.4 不同沖擊能量下鉆桿材料抗疲勞斷裂性能對(duì)比

圖8（a）和圖8（b）中縱、橫向試樣都取自同一S135鉆桿的加厚過渡帶部位，圖8（a）轉(zhuǎn)速90 r/min對(duì)應(yīng)單次沖擊能量0.8 J，圖8（b）轉(zhuǎn)速180 r/min對(duì)應(yīng)單次沖擊能量3.19 J。圖8（a）中縱、橫向試樣多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量分別約430 J和380 J，而圖8（b）只有約70 J和30 J，這說明隨著旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)速增大，單次沖擊功增大，鉆桿試樣的抗斷裂性能大幅度降低。

圖8 A廠不同單次沖擊能量下鉆桿管體多沖動(dòng)態(tài)疲勞斷裂累積能量

為了深入研究隨著單次沖擊能量的增大，鉆桿材料疲勞斷裂性能的遞減規(guī)律開展了鉆桿管體材料在不同單次沖擊功下的斷裂次數(shù)對(duì)比研究，圖9和圖10比較了A、B兩個(gè)廠家生產(chǎn)的S135鉆桿材料縱橫向的抗沖擊疲勞斷裂性能差異。B廠鉆桿管體材料縱向、橫向的抗沖擊疲勞斷裂性能差異比A廠更明顯。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的A廠和B廠鉆桿的失效情況統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示A廠鉆桿失效較少，B廠失效較多。

圖10 B廠鉆桿管體試樣在不同單次沖擊功下斷裂次數(shù)

通過對(duì)圖9和圖10的單次沖擊功與試樣斷裂時(shí)沖擊次數(shù)曲線回歸分析發(fā)現(xiàn)，在不同單次沖擊功的多沖疲勞斷裂條件下，隨單次沖擊功的增加，試樣斷裂時(shí)的沖擊次數(shù)呈指數(shù)式遞減（曲線回歸分析用指數(shù)式擬合，相關(guān)系數(shù)R2接近于1）。由此可見，鉆柱在高轉(zhuǎn)速鉆井過程中，隨著單次沖擊能量增大，鉆柱的沖擊疲勞壽命呈指數(shù)式遞減，與表征材料疲勞性能的S-N曲線類似。

3 結(jié)論

1）與單次沖擊的夏比沖擊功指標(biāo)相比，多沖動(dòng)態(tài)斷裂累積能量指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)小、可靠性更好，能夠更好地表征鉆柱材料在井下承受交變應(yīng)力及振動(dòng)沖擊載荷作用下的抗疲勞斷裂性能。

2）A廠的鉆桿多次沖擊累積能量大，即A廠生產(chǎn)的鉆桿優(yōu)于B廠，抗斷裂性能比B廠好，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也驗(yàn)證了A廠的鉆桿發(fā)生事故比B廠少。這為優(yōu)選鉆桿材料提供了一種簡(jiǎn)易的測(cè)評(píng)方法，對(duì)今后評(píng)價(jià)有關(guān)鉆柱構(gòu)件的動(dòng)態(tài)斷裂性能提供了重要參考。

3）鉆桿加厚過渡帶相比管體刺穿、斷裂嚴(yán)重，其重要原因之一是該部位材料由于鐓粗加工引起材質(zhì)分布不均勻，各向異性嚴(yán)重，加之交變應(yīng)力在鉆桿加厚過渡帶部位的集中，導(dǎo)致該部位經(jīng)常發(fā)生刺穿、斷裂事故。

4）隨單次沖擊功增大，鉆桿材料的多沖動(dòng)態(tài)斷裂次數(shù)呈指數(shù)式遞減，類似表征材料疲勞失效的SN曲線。