API-5DP 石油鉆桿斷裂失效分析★

高引慧， 李瑞宇， 陳 晨， 劉志凱

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院， 廣東 佛山 528300）

API-5DP 鉆桿是由公接頭、桿體及母接頭三部分組成，如圖1 所示。公接頭和母接頭的材料成分是37CrMnMo，硬度值在HB 285~341 之間，桿體的材料成分是27CrMnMo，硬度值在HB 290~320 之間。通過磨擦焊焊接在一起，圖2 是公接頭及部分桿體的實(shí)物照片。鉆桿中間是空的，施工過程需要不斷注入泥漿，一是防止鉆洞塌方；二是起到潤滑作用； 三是冷卻鉆桿。

圖1 鉆桿示意圖（mm）

圖2 公接頭及部分桿體實(shí)物照片

送檢樣品是該鉆桿在陸地進(jìn)行勘探時(shí)發(fā)生斷裂而截取的其中一段。因公接頭部分埋在地下仍未找到，因此從外觀上不能判斷斷裂是否發(fā)生在焊接位置。另外被挖出來的管體斷裂表面呈黑色，與正常管體的顏色不同，如圖3。

鉆桿是石油鉆井的重要工具，其失效形式有斷裂、腐蝕、刺穿等等，導(dǎo)致其失效的原因也是不同的[1-8]。反復(fù)荷載作用造成的鉆桿管體疲勞及外界環(huán)境影響會(huì)導(dǎo)致在局部高應(yīng)力區(qū)形成微裂紋，微裂紋逐漸擴(kuò)展形成宏觀裂紋，宏觀裂紋繼續(xù)發(fā)展進(jìn)而導(dǎo)致管體斷裂。裂紋擴(kuò)展是一個(gè)多因素共同作用的過程，這些因素包括應(yīng)力集中、加載頻率、晶粒類型、組織結(jié)構(gòu)等[9-11]。現(xiàn)對(duì)送樣進(jìn)行分析，找出其斷裂所在的大體位置以及斷裂原因。

圖3 被挖出管體的斷裂口端外觀

1 樣品的宏觀觀察

送檢樣的管體長1 020 mm，外徑140 mm，外形圖如圖4。左邊是斷裂口側(cè)，右邊是從桿體切下。斷裂口側(cè)的壁厚不均勻，A 側(cè)厚度26 mm，B 側(cè)是15 mm。從外觀來看，斷裂口基本上被磨平，這種狀態(tài)下很難觀察斷裂口裂紋的狀況，如下頁圖5。

圖4 管體送樣檢驗(yàn)的外觀圖

2 化學(xué)成分分析

用線切割方法在斷裂口端切下厚度為20 mm的環(huán)，沿環(huán)徑向切取一小塊25 mm×20 mm 的試樣，記為試樣1 號(hào)。用同樣方法在管體中間切下一條100 mm×8 mm 的試樣，記為試樣2 號(hào)。對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行成分分析，在不同部位共檢測(cè)3 次，然后取其平均值，測(cè)試結(jié)果如表1。

圖5 管體斷裂口

表1 送檢樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

從表1 中可以看出，送檢樣斷裂口側(cè)的成分與公接頭材料成分（37CrMnMo）相同，中間段的成分與管體的材料成分（27CrMnMo）相同。根據(jù)鉆桿的示意圖來看，可以判斷鉆桿斷裂發(fā)生在公接頭，不是在焊接位置。

3 焊接位置判斷

為了判斷鉆桿斷裂的大體位置，首先使用測(cè)厚儀對(duì)送檢管體不同部位的厚度進(jìn)行測(cè)量，找出離斷口約200 mm 處管壁開始變薄。根據(jù)鉆桿示意圖所示，在送檢樣中從斷裂口段切去20 mm 厚的環(huán)后，用線切割方法在剩下樣品往桿體方向切下360 mm×8 mm 的小試樣，如圖6。對(duì)試樣橫截面進(jìn)行硬度測(cè)量，每隔3～5 mm 測(cè)量一次，發(fā)現(xiàn)中間有一區(qū)域硬度值為HRC17，在該區(qū)域兩邊，硬度值均為HRC28.5。把該區(qū)域及兩邊一同切下，經(jīng)過打磨、拋光、腐蝕后出現(xiàn)明顯的相界面。從上述結(jié)果可以判斷硬度較低的所在位置就是焊縫，離斷裂口距離約100 mm，見圖6。

圖6 送檢樣從接頭往桿體方向切下一段試樣

4 硬度測(cè)量

從送檢樣斷裂口中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)斷裂口的管壁厚度不均勻，厚度在15~26 mm 之間，如圖5 所示。在A 和B 兩側(cè)離斷裂口20 mm 沿桿方向靠近外壁處各切10 mm×5 mm 兩個(gè)小試樣，采用HMV-G21ST型顯微維氏硬度計(jì)下用1 kg 的載荷進(jìn)行硬度測(cè)量[12]，結(jié)果如表2。

表2 斷裂口端A 和B 兩側(cè)沿管方向外徑試樣的硬度值

從表2 結(jié)果來看，送檢管體斷裂口的硬度值都比較高，A 側(cè)硬度達(dá)到HRC59，B 側(cè)硬度達(dá)到HRC49，但往管體方向兩側(cè)硬度值接近公接頭和管體的硬度值。從上述結(jié)果表明斷裂口的硬度值比管體其他部位的硬度高很多，且斷裂口A 側(cè)的硬度值較大。加上截下的20 mm 圓環(huán)，離斷裂口約有40 mm 的硬化層。

同樣對(duì)管體其他部位進(jìn)行硬度測(cè)量，其結(jié)果在HRC 28-35 之間，是滿足鉆桿接頭和桿體的硬度要求的。

5 金相分析

被挖出來的管體斷裂表面呈黑色，為觀察斷裂口表面和管體外表面的組織形貌，在斷裂口端切下20 mm 的一段環(huán)體，再從A 側(cè)切下一塊約20 mm×25 mm 的小試樣進(jìn)行打磨、拋光及用3%硝酸酒精腐蝕，經(jīng)處理的試樣用肉眼能看到3 條明顯的裂紋，如圖7 試樣所示。

圖7 從斷裂口端A 側(cè)切下一塊試樣縱向圖

在ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，對(duì)存在裂紋區(qū)域的表面金相組織進(jìn)行評(píng)定。圖8 是斷裂口表面徑向的組織形貌（放大200×），圖9 是圖8的局部放大（放大500×）。從圖中可以看出其金相組織為馬氏體，而且斷裂口表面有一層薄薄的白層[13]。

采用HMV-G21ST 型顯微維氏計(jì)測(cè)量其硬度，圖10 和圖11 是圖9 白層和靠近白層位置的顯微硬度（1 kg 載荷）壓痕位的放大圖像。經(jīng)測(cè)量兩者的硬度有明顯差別，結(jié)果如下頁表3。白層的硬度達(dá)到HRC59，靠近白層附近的部位硬度值為HRC41。

表3 斷裂口徑向外表面硬度測(cè)量結(jié)果

圖12 是斷裂口管體外表面的組織形貌（放大25×）。從圖中看出該部位經(jīng)過塑性變形，塑形變形導(dǎo)致形變強(qiáng)化，因而該處硬度較高。

圖8 斷裂口A 側(cè)外周徑向的形貌200×

圖9 圖8 局部放大500×

圖10 維氏硬度壓痕位的放大圖片100×

圖11 維氏硬度壓痕位的放大圖片100×

圖13 和圖15 是送檢樣A 側(cè)和B 側(cè)距離斷裂口20 mm 所在縱向位置的組織形貌（放大100×）。圖14 和圖16 是圖13 和圖15 組織形貌圖黑色條帶的局部放大圖（放大500×）。從金相顯微組織來看，硬度高的A 側(cè)金相組織是馬氏體，而硬度低的B 側(cè)是索氏體。而且A 側(cè)的帶狀組織結(jié)構(gòu)比B 側(cè)的粗，晶粒粗大，脆性增加，從而導(dǎo)致該部位韌性降低，在外力作用下容易產(chǎn)生微裂紋[14-15]。

圖12 斷裂口管體外表面的組織形貌25×

從上述金相組織來看，斷裂口的金相組織是馬氏體結(jié)構(gòu)，硬度也非常高（尖角位置硬度值達(dá)到HRC58），這不是脫碳的表現(xiàn)?？赡苁遣僮鬟^程中出現(xiàn)溫度較高，在管體表面形成一層氧化膜而導(dǎo)致管體斷裂口變黑。

圖13 管體A 側(cè)離斷裂口25 mm 位置縱向組織形貌100×

圖14 圖13 黑色條帶局部放大圖500×

圖15 管體B 側(cè)離斷口25 mm 位置縱向組織形貌100×

圖16 圖15 黑色條帶局部放大圖500×

6 掃描電鏡分析

圖7 試樣外表面經(jīng)過清洗，用肉眼和在顯微鏡能看到沿著徑向有一些劃痕，試樣縱向剖面經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后用同樣方法也能看到有一些裂紋。另外對(duì)管體其他部位進(jìn)行觀察，并沒有找到與斷裂口部位相類似的劃痕和裂紋。

圖17 管體縱向和外表面掃描形貌20×

圖17 是試樣在掃描電鏡下的形貌，上方是徑向剖面，下方是管體外表面。在低倍放大作用下非常清楚地看到表面的劃痕與徑向剖面的裂紋能連成一條線。

圖18 和圖19 是徑向剖面劃痕的局部放大，此部位已形成比較大的孔洞裂縫。

圖18 圖17 外表面掃描形貌局部放大100×

圖17 管體縱向和外表面掃描形貌20×

7 鉆桿斷裂原因分析及結(jié)論

從以上對(duì)斷裂管體的分析結(jié)果可以看出：

1）經(jīng)觀察，管體斷裂口表面有許多劃痕，徑向剖面的裂紋也很多，且有些劃痕與裂紋是連成一體的。造成這種狀態(tài)可能鉆桿在工作過程中碰到硬質(zhì)點(diǎn)（如巖石棱角），特別是一些尖銳的硬質(zhì)點(diǎn)，這些硬質(zhì)點(diǎn)像“刀”一樣在鉆桿表面刻出許多劃痕，形成裂紋源。在一定時(shí)間和外力作用下這些裂紋不斷往軸向延伸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，有效承載面積不足夠支撐外力時(shí)，管體便發(fā)生斷裂。圖5 中的A 處即為瞬斷區(qū)。

2）管體發(fā)生斷裂后在外力作用下仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在摩擦的作用下，最終在斷裂口表面出現(xiàn)塑性變形，同時(shí)形成較厚的白層，其硬度值達(dá)到HRC58。

3）靠近斷裂口的位置硬度高，從金相顯微組織來看大部分組織結(jié)構(gòu)是馬氏體；而管體硬度低，其金相組織是調(diào)質(zhì)態(tài)的索氏體，其強(qiáng)度性能和結(jié)構(gòu)組織都滿足接頭和桿體的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)斷裂口A 側(cè)的帶狀組織結(jié)構(gòu)比B 側(cè)的粗，晶粒粗大，硬度高，因而脆性也增加。從而導(dǎo)致該部位韌性低，在外力作用下容易產(chǎn)生微裂紋。

4）斷裂面是發(fā)生在公接頭部分，不在焊縫位置。焊縫離斷裂口約為100 mm 的距離。

5）斷裂口表面顏色較黑不是脫碳引起的，因?yàn)閿嗔芽诘慕鹣嘟M織大部分是馬氏體結(jié)構(gòu)，且硬度非常高（尖角位置硬度值達(dá)到HRC58），這可能是操作過程中出現(xiàn)溫度較高，在管體表面形成一層氧化膜所導(dǎo)致。