螺桿鉆具傳動軸連接失效分析

任小玲

中石化石油機械股份有限公司研究院（湖北武漢 430223）

0 引言

螺桿鉆具由馬達、旁通閥、萬向節、傳動軸四大總成組成，是一種通過循環鉆井液驅動鉆頭旋轉破巖的井下動力鉆具，具有功率大、轉速低、扭矩大、壓降小、容易啟動等優點，近年來廣泛應用于石油鉆井工程。其中傳動軸用于傳遞鉆壓、扭矩和鉆井液，是螺桿鉆具的重要部件之一，總成由外殼、軸體、限流器、水帽、徑向及負荷軸承等組成，傳動軸的壽命決定了螺桿鉆具的總體壽命，有數據統計顯示壽命小于60 h 的絕大部分問題都出現在傳動軸上[1]。根據螺桿鉆具失效案例統計發現，最為薄弱以及發生失效頻次最高的總成為傳動軸，其主要失效形式為連接螺紋斷裂，具體表現在小端螺紋退刀處斷裂和大小頭臺階處斷裂[2]，斷裂后會造成傳動軸下部及鉆頭落井，帶來較大的損失。

國內學者對傳動軸螺紋失效分析方法和原因展開研究，練章華等[3]基于鉆桿螺紋失效的分析方法研究，分析了螺桿鉆具傳動軸在軸向壓縮力、旋轉扭力和彎扭剪切等3 種組合載荷下受力情況，其中彎扭組合作用的影響最大；廖貴鵬等[4]研究了傳動軸上端接頭螺紋斷裂性能，確定了危險位置，定量評價斷裂性能影響因素；吳泉等[5]對傳動軸斷裂進行斷口宏觀、微觀及金相組織分析，確定了斷裂機理。以上學者分別用宏微觀分析、化學成分分析、金相分析、力學性能測試、有限元分析等手段對傳動軸連接螺紋斷裂機理進行了研究，但是試驗檢測和有限元分析結合的方式在傳動軸連接失效過程中的分析較為少見。通過宏觀觀察、斷口微觀分析和理化試驗等方法，結合有限元分析傳動軸失效模式和原因。

1 問題描述

型號為H5LZ216×7.0-3.5DW-1.25°螺桿在某一口井服役到98 h，上提測斜時突然憋泵，泵壓突然出現異常，起鉆檢查發現傳動軸與下TC動套連接螺紋根部斷裂，斷裂傳動軸與鉆頭落井。傳動軸材料為42CrMo，斷裂失效部位如圖1所示。

圖1 螺桿斷裂失效部位

打撈掉落部分，并對斷裂傳動軸部分進行拆檢后發現下TC動、靜套均存在硬質合金塊碎裂和脫落現象，其中下TC 動套耐磨層脫落尤為嚴重，已經露出基體，拆檢串軸承發現鋼珠已經破碎。

2 試驗結果與分析

2.1 傳動軸斷口宏微觀觀察

宏觀檢查斷裂的傳動軸，發現其斷裂處為與下TC軸承連接的第1個螺紋處，由于傳動軸下斷口在打撈作業時已經造成二次損傷，僅以對傳動軸上斷口分析為主。如圖2所示，上斷口分為裂紋萌生區，裂紋擴展區和瞬間斷裂區3個區域。裂紋萌生區由螺紋處開始，逐漸向中間擴展。擴展區域范圍占絕大部分，明顯可見疲勞弧線。瞬間斷裂區在斷口邊緣，該區域出現凸起和嚴重形變。對斷口區域進行掃描電鏡檢查（圖3），裂紋萌生區可見疏松和凹坑，凹坑右側含異常元素Cu、Zn，初步分析為泥漿元素；裂紋擴展區發現疲勞條帶；觀察到瞬間斷裂區出現凹坑、韌窩和磨損等特征形貌。初步判斷，因斷口處位于螺紋根部，此部位為應力集中處，宏觀發現裂紋擴展區域多呈現星形狀紋路，依此可判斷傳動軸受到扭轉載荷的影響較大；微觀斷口分析顯示無熱處理加工缺陷，傳動軸是在惡劣循環工況下誘發的材料致命缺陷形成裂紋，并導致疲勞擴展，最終失穩斷裂。

圖2 傳動軸斷口形貌

圖3 傳動軸斷口電鏡圖片

2.2 傳動軸理化檢測

對傳動軸進行化學成分分析、金相組織分析及力學檢測，結果見表1 和表2。從結果上看，傳動軸材料化學成分符合國家標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對42CrMo 材料的規定；力學性能符合標準SY/T 5383—2010《螺桿鉆具》要求。金相分析結果顯示組織為回火索氏體和鐵素體，夾雜合格。

表1 傳動軸材料化學成分

表2 傳動軸硬度、金相以及力學性能

2.3 連接螺紋檢測

1）傳動軸螺紋檢測。對傳動軸螺紋由上至下進行金相分析，發現1～15牙均有塑性變形，1～5牙、10～14牙均存在裂紋，6～14牙存在硬化層，如圖4所示。結果顯示傳動軸斷裂部位的螺紋均有變形及硬化層，且硬化層均位于螺紋的下牙側，為上扣方向。對螺紋部位縱剖面進行硬度檢測，結果如圖5示，斷裂的傳動軸硬度均在標準上限附近，局部點高于上限標準33～36HRC要求。

圖4 傳動軸螺紋金相檢查

圖5 傳動軸硬度梯度（HRC）

2）下TC動套螺紋檢測。對下TC動套螺紋進行了金相分析（圖6）和硬度測試，發現在1～16 牙均有塑性形變，但沒有出現裂紋，也無硬化層。螺紋基體硬度范圍在14.3～30.5HRC，硬度比較大，比傳動軸螺紋的硬度小。同時發現，下TC動套基體硬度遠低于標準（33～34.5HRC）要求，硬質合金層硬度為90.1～91HRA，遠超過下TC動套基體硬度，且合金層出現大量脫落。TC 動套的質量問題會導致使用過程中合金塊易碎裂、掉塊等失效，掉落的合金塊進入TC軸承之間的間隙會導致TC軸承出現憋卡。

圖6 下TC動套螺紋金相檢查結果

2.4 連接有限元分析

依據以上情況，可以推斷下TC軸承硬質合金碎塊進入下TC 軸承動靜套的間隙，會導致下TC 軸承套間出現憋卡，下TC動套與傳動軸的連接螺紋為左旋螺紋，導致第二次緊扣。結合服役工況及斷裂部位損傷情況，通過有限元進一步分析傳動軸與下TC動套螺紋連接失效原因。

2.4.1 材料屬性與失效判據

螺桿鉆具的材料為42CrMo，其各項參數見表3。根據有限元模擬采用的Von Mises 屈服判定準則：當等效應力大于材料單向拉伸屈服強度時判為失效，即材料力學中第四強度理論。

式中：σi為等效應力，σ1為第一主應力，σ2為第二主應力，σ3為第三主應力。

表3 42CrMo材料屬性表

2.4.2 有限元模型假設

忽略較小螺旋角造成的影響，采用二維軸對稱模型進行計算，對模型做如下簡化和假設：螺桿鉆具實際服役過程中，工況復雜，自身又受限于材料、加工和裝配，使得真實模型復雜。假定傳動軸材料是各向同性，密度分布均勻且連續；假定內外螺紋配合屬于小形變情況，螺紋牙之間的摩擦系數統一為0.02。

2.4.3 網格劃分

建立傳動軸和下TC動套螺紋連接有限元模型，網格類型為CPE4I，對螺紋牙嚙合處進行局部網格加密，圖7為有限元模型網格劃分示意圖。

圖7 有限元模型網格劃分

2.4.4 載荷和邊界條件

由于二維模型不能直接施加力矩邊界，采用等效方法[6]加載，模擬在正常/非正常情況下緊扣與旋轉扭矩，對下TC動套和傳動軸螺紋嚙合處施加一定的過盈量。并對傳動軸螺紋施加一定的軸向力，均布水壓，如圖8 所示。邊界條件扭矩載荷數據來源于現場使用記錄，扭矩值在7～16 kN·m范圍內波動，異常峰值達到41 kN·m。

圖8 螺紋連接處載荷及邊界條件施加示意圖

2.4.5 強度有限元模擬結果

1）正常工況模擬。傳動軸軸頭至下TC動套連接螺紋之間主要受上扣預緊力、馬達傳遞的扭矩、靜水壓力和側向彎矩共同作用。假設TC 動套上扣扭矩為15 kN·m，曲率為10°/30 m 及20 MPa 的壓力載荷作用下，結果如圖9所示。等效應力為217.5 MPa，在正常工況下，傳動軸連接處的安全系數較高。

圖9 正常工況模擬傳動軸連接等效應力圖

2）非正常工況模擬：當下TC軸承因出現硬質合金塊碎裂、掉塊而導致憋卡，傳動軸下半段除了受預緊力、馬達扭矩和側向彎矩共同作用外，還要受到TC 軸承憋卡上扣扭矩和轉盤扭矩。當扭矩不斷增大時，對傳動軸連接處影響較大，模擬轉盤扭矩由15、20、30、40 kN·m下的連接軸應力應變的情況，如圖10曲線所示，軸向對應的應力值為嚙合螺紋面平均應力值。隨著扭矩的增加，嚙合螺紋面的應力值也隨之增大，到達30 kN·m時，最大的等效應力值趨于平衡，與40 kN·m下最大等效應力相近，外部載荷已經達到螺紋工作要求極限。如圖11所示，最大等效應力為925.8 MPa 處在第1 螺紋牙齒頂和齒根處，等效應力值與材料的屈服強度值接近，從圖11中趨勢可以看出螺紋前3 牙受到的載荷影響較大，等效應力值大。

圖10 非正常工況模擬傳動軸連接等效應力圖

圖11 40 kN·m下的連接軸等效應力圖

在非正常工況下，在傳動軸第1 螺紋牙齒根處設置監視點進一步分析不同扭矩載荷對應力集中處的影響，輸入不同載荷值分別為15、20、30、40 kN·m 進行分析（圖12），當載荷達到30 kN·m 以上時，等效應力值接近900 MPa，雖然未達到屈服應力930 MPa，長時間在此工況下服役，容易導致疲勞失效，應力集中處易出現疲勞裂紋。疲勞區擴展后，長期服役在超負荷的工況下及鉆井液環境介質中，會造成傳動軸連接處材料強度減弱，當出現較大旋轉扭矩時，產生的集中應力超過連接處的單向拉伸屈服強度就發生瞬間斷裂。

圖12 第1螺紋牙齒根處等效應力隨載荷變化

2.5 傳動軸斷裂失效流程

1）合金層脫落是開裂的起源。由于在螺桿使用過程中，下TC軸承出現硬質合金塊碎裂和掉塊現象，使傳動軸在某段時間內受沖擊扭矩作用，再加上傳動軸的硬度接近或超過上限，導致在應力集中的螺紋牙根部出現疲勞裂紋。

2）交變載荷導致裂紋的擴展和失效。結合現場使用報告和試驗分析，由于環境因素的影響，傳動軸受到了較大沖擊負載；傳動軸斷裂部位的螺紋有變形、裂紋及硬化層，且硬化層均位于螺紋的下牙側，為上扣方向。當出現交變載荷時，疲勞裂紋逐漸擴展，扭矩增加至一定值時，傳動軸出現瞬間斷裂。整體過程如圖13所示。

圖13 傳動軸斷裂失效流程

3 結論及建議

通過對傳動軸斷裂部位進行宏微觀分析、力學分析、理化試驗、金相對比，并結合有限元理論計算的結果，分析傳動軸斷裂失效過程，得出以下結論：

1）下TC 軸承出現硬質合金塊碎裂和掉塊為傳動軸斷裂失效的誘因。

2）傳動軸硬度偏上限或超上限，斷裂處為疲勞裂紋源。

3）傳動軸斷裂部位符合“裂紋萌生-裂紋擴展-斷裂”疲勞斷口形貌特征，屬疲勞斷裂。

4）交變扭矩載荷對連接處螺紋第1 牙影響較大，其齒根處為應力的集中處，交變載荷是連接螺紋裂紋快速發展的原因。

5）通過以上失效分析，建議增大傳動軸外徑，提高傳動軸結構強度；下TC防掉螺紋下移到傳動軸軸頭，消除傳動軸關鍵部位的應力集中，同時擴大了傳動軸的防掉范圍。