φ127 mm鉆桿外螺紋接頭及焊區部位縮頸失效分析

李亞敏，張然，陳靜，王顯林，王西華，趙文巖

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

0 引言

石油鉆桿作為連接地表鉆機和井底磨削鉆頭的關鍵鉆井工具，在油氣藏開發鉆井過程中承受巨大的拉力、內外壓、轉矩、彎曲和振動，鉆桿的失效直接影響鉆井安全及鉆井效率。石油鉆桿是由鉆桿接頭和鉆桿管體通過摩擦焊接工藝生產制造而成。石油鉆桿失效多發生在鉆桿接頭螺紋及管體內過渡帶區域，在外螺紋接頭及摩擦焊接部位出現縮徑失效極為罕見，因此，本文結合鉆桿服役工況及相關資料對一支縮徑的φ127 mm規格鉆桿進行了失效原因分析。

1 宏觀分析

失效鉆桿樣品如圖1所示，鉆桿接頭的密封臺肩面、本體、凹槽、斜坡等部位呈光亮特征，有明顯的摩擦痕跡。失效鉆桿整體被拉長變形，變形區域主要集中在接頭及摩擦焊接部位，試樣接頭端面至密封面長為130 mm，設計長度為114.3 mm，拉長14%，密封臺肩面被擠壓變形；大鉗區長度為300 mm，設計長度為254 mm，拉長18%。失效樣品的接頭和管體均存在蠕變及縮徑現象，接頭凹槽部位存在黏著物，如圖1、圖3所示，使用游標卡尺對失效樣品的外徑和內徑進行測量，接頭本體最大縮徑率為19.08%，摩擦焊接區域最大縮徑率為14.04%，管體最大縮徑率為5.25%。

圖1 失效試樣宏觀尺寸測量

圖2 失效試樣剖面宏觀形貌

圖3 外螺紋接頭大鉗區宏觀形貌

2 磁粉檢測分析

依據標準ASTM E 709-2015《磁粉檢驗標準指南》，使用磁粉探傷儀對失效樣品外表面進行磁粉檢測，檢測結果如表1所示。磁粉檢測結果顯示接頭共存在6 條裂紋，1#、4# 裂紋位于接頭大鉗夾持部位，且裂紋擴展至接頭斜坡部位；2#裂紋靠近焊縫接頭側部位；3#、5#、6#裂紋位于接頭大鉗夾持部位，其中3#和6#裂紋擴展至臺肩密封面；3#裂紋軸向最長為220 mm。

表1 磁粉檢測結果 mm

3 理化性能分析

3.1 化學成分分析

依據標準ASTM A751-20《鋼制品化學分析標準試驗方法、試驗操作和術語》，使用直讀光譜儀對失效鉆桿進行化學成分分析，結果如表2所示。分析結果為完全符合API標準要求。

圖4 3#裂紋磁粉檢測（其中一條裂紋）

表2 化學成分質量分數分析 %

3.2 拉伸性能分析

依據標準ASTM A370-20《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》，使用材料試驗機對試樣進行拉伸試驗，結果如表3所示。結果表明，鉆桿管體拉伸試驗結果符合API標準要求，鉆桿外螺紋接頭、外螺紋接頭側焊區、裂紋附近的拉伸試驗結果均不符合API標準要求。

表3 拉伸試驗結果

3.3 夏比沖擊性能分析

依據標準ASTM A370-20《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》，使用沖擊試驗機對失效試樣進行夏比沖擊試驗，結果如表4所示。結果表明，鉆桿管體夏比沖擊試驗結果符合API標準要求，鉆桿外螺紋接頭、外螺紋接頭側焊區、裂紋附近的夏比沖擊試驗結果均不符合API標準要求。

表4 夏比沖擊試驗結果

3.4 金相組織分析

依據標準ASTM E112-13《金屬平均晶粒度測定方法》、ASTM E45-18a《鋼中夾雜物含量的評定方法》、ASTM E3-11（2017）《金相試樣制備標準指南》，使用激光共聚焦顯微鏡對失效鉆桿進行非金屬夾渣物、組織分析、晶粒度評定，結果如表5、圖5所示。從表5和圖5中可以看出，接頭組織主要為馬氏體組織，靠近焊縫接頭的馬氏體組織含量減少，回火索氏體組織逐漸增加。焊縫管體側出現鐵素體組織、貝氏體組織、珠光體組織，遠離焊縫的管體組織為回火索氏體組織。

表5 金相分析結果

圖5 各部位金相組織

3.5 裂紋金相分析

使用激光共聚焦顯微鏡對1#-1裂紋試樣、1#-2裂紋試樣剖面進行裂紋金相分析，裂紋試樣取樣位置如圖6所示。

圖6 裂紋試樣取樣位置示意圖

1#-1、1#-2試樣裂紋形貌及其周圍組織如圖7所示，裂紋金相分析結果如表6所示。結果表明，裂紋起源于接頭外表面，裂紋呈彎曲折向內表面擴展。試樣外壁附著一層黑色黏著物。裂紋試樣基體外表面存在一層“白亮層”馬氏體組織，試樣基體以針狀馬氏體組織為主。管體縮徑處組織為鐵素體組織+珠光體組織。

圖7 1#-1 試樣裂紋形貌及其周圍組織

表6 裂紋金相分析結果

3.6 黏著物能譜分析

使用能譜儀對黏著物進行分析，如圖8 所示，結果見表7。從圖8和表7中可以看出，黑色黏著物的主要成分為Si和O元素，并含有部分Ca、Cr、Mn等元素，黏著物內白色顆粒的主要成分為Fe，與基體材料成分相近。因此，黑色黏著物主要為二氧化硅和硅酸鹽等，黏著物內的白色顆粒為接頭基體上剝落的金屬顆粒。

圖8 黏著物能譜分析曲線

表7 黏著物能譜分析結果

3.7 硬度分析

依據標準ASTM E10-18《金屬材料布氏硬度試驗方法》，使用布氏硬度計對接頭1#-1裂紋試樣和管體縮徑處試樣進行硬度試驗，結果如表8所示。從表8中可以看出，接頭1#-1裂紋試樣截面的布氏硬度不符合API標準要求，布氏硬度平均值為519 HBW。管體縮徑處布氏硬度平均值為251 HBW。

表8 布氏硬度試驗結果 HBW

4 結果分析與討論

由宏觀分析可知，該試樣外表面光亮，有明顯的摩擦痕跡。在接頭凹槽內存在黑色黏著物，能譜分析結果表明，黑色黏著物主要為二氧化硅和硅酸鹽，并且黏著物內包裹著鉆桿接頭基體上磨損脫落的金屬顆粒。

由幾何尺寸測量結果可知，鉆桿接頭本體、接頭焊頸及管體均存在塑性變形和縮徑現象，接頭端面至密封面長為130 mm，拉長14%（設計長度為114.3 mm），接頭本體長為300 mm，拉長18%（設計長度為254 mm）。接頭本體最大縮徑率為19.08%，焊頸最大縮徑率為14.04%，管體最大縮徑率為5.25%。

由磁粉檢測結果可知，鉆桿接頭存在6 條裂紋，1#、4#裂紋位于接頭本體部位，且裂紋擴展至接頭斜坡部位。3#、5#、6#裂紋位于接頭本體部位，其中3#和6#裂紋擴展至臺肩密封面。2#裂紋位于接頭焊徑部位。

由理化試驗結果可知，遠離裂紋和縮徑部位的管體的化學成分分析、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、金相分析結果符合API標準要求；接頭的化學成分分析結果符合API標準要求；接頭及焊縫的拉伸試驗、夏比沖擊試驗結果異常。

由金相分析結果可知，接頭組織主要為馬氏體組織，靠近焊縫接頭的馬氏體組織含量減少，回火索氏體組織逐漸增加。焊縫管體側出現鐵素體組織、貝氏體組織、珠光體組織，遠離焊縫的管體組織為回火索氏體組織。這與接頭拉伸試驗未到屈服點就斷裂和夏比沖擊吸收能量低的結果相符合。

由布氏硬度試驗結果可知，接頭裂紋試樣的布氏硬度高于管體縮徑處的硬度。接頭裂紋試樣截面的布氏硬度平均值為519 HBW，管體縮徑處布氏硬度平均值為251 HBW。這與裂紋金相分析結果一致，裂紋起源于接頭外表面，裂紋呈彎曲折向內表面擴展。裂紋基體外表面存在一層“白亮層”馬氏體組織，接頭基體以針狀馬氏體組織為主。管體縮徑部位組織為鐵素體組織和珠光體組織。

從現場作業調研信息可知，現場作業開始階段出現間斷性遇阻，鉆井巖屑在外螺紋接頭35°臺肩面附近堆積，隨著堆積的巖屑增多，直接堵塞鉆井液循環通道。鉆井過程中在拉伸和扭轉的復合加載下，鉆桿外螺紋接頭及焊區部位與巖屑之間發生劇烈摩擦，生成的大量摩擦熱使得接頭及焊區部位溫度迅速升高，處于高溫部位的材質發生塑性拉長形變，接頭外徑、內徑迅速減小，從而導致鉆桿接頭及焊區部位出現縮徑失效。在泥漿的冷卻作用下使得接頭處于高溫奧氏體狀態的材質發生淬火作用，形成大量馬氏體組織，硬脆性增加，導致外螺紋接頭產生裂紋。

5 結論

1）遠離裂紋和縮徑部位的管體的化學成分分析、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、金相分析結果符合API標準要求；接頭的化學成分分析結果符合API標準要求。

2）鉆井過程中巖屑在外螺紋接頭35°臺肩面附近堆積，隨著堆積的巖屑增多，直接堵塞鉆井液循環通道。鉆井過程中在拉伸和扭轉的復合加載下，鉆桿外螺紋接頭及焊區部位與巖屑之間發生劇烈摩擦，生成的大量摩擦熱使得接頭及焊區部位溫度迅速升高，處于高溫部位的材質發生塑性拉長形變，接頭外徑、內徑迅速減小，從而導致鉆桿接頭及焊區部位出現縮徑失效。