127 mm G105鉆桿加厚區(qū)刺穿失效分析

李方坡,劉永剛,路彩虹,王 勇,王引真

(1.中國石油管工程技術(shù)研究院,西安710065;2.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266555) ①

李方坡1,劉永剛1,路彩虹1,王 勇2,王引真2

(1.中國石油管工程技術(shù)研究院,西安710065;2.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266555)①

通過力學(xué)性能測試、化學(xué)分析、金相組織和斷口分析,對某井?127 mm G105鉆桿加厚區(qū)刺穿失效原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明,鉆桿加厚區(qū)刺穿失效的原因是管端在礅粗加厚過程中加熱溫度過高,造成外表面形成厚的脫碳層和氧化層,礅粗變形量過大使得外表面的脫碳層和氧化層在礅粗過程中被擠入管體內(nèi)部形成條帶狀分布的折皺缺陷。在鉆井過程中交變應(yīng)力作用下,深折皺底部首先萌生疲勞裂紋,隨著裂紋的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鉆桿加厚區(qū)發(fā)生刺穿失效。

鉆桿;折皺;脫碳;疲勞

某鉆井公司在四川地區(qū)鉆井作業(yè)過程中,在同一口井連續(xù)發(fā)生多起罕見的鉆桿加厚區(qū)刺穿失效事故。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研取樣,對鉆桿失效原因進(jìn)行分析。鉆桿刺穿部位為管體加厚區(qū),距內(nèi)螺紋接頭端面約為550 mm,現(xiàn)場對該批鉆桿進(jìn)行超聲波探傷發(fā)現(xiàn),同批次的300余根鉆桿加厚區(qū)存在裂紋缺陷。據(jù)現(xiàn)場提供資料,該批鉆桿已累計完成3口定向井作業(yè),累計進(jìn)尺約9 000 m。鉆井過程中,鉆壓為40～140 kN,轉(zhuǎn)速為60～90 r/min,扭矩為5～8 kN·m,泥漿p H值為9～10。

1 無損探傷和宏觀分析

刺穿失效鉆桿樣品宏觀形貌如圖1a所示,刺孔距鉆桿內(nèi)螺紋接頭端面的距離約為550 mm,刺孔裂紋周向長度約80 mm,如圖1b所示,鉆桿外加厚區(qū)外表面有明顯的折皺,如圖2所示。經(jīng)超聲波探傷發(fā)現(xiàn),部分折皺底部存在超標(biāo)裂紋缺陷。將失效鉆桿樣品剖開,刺孔位于鉆桿內(nèi)加厚過渡錐面上,內(nèi)

圖1 失效鉆桿宏觀形貌

圖2 失效鉆桿表面折皺

圖3 失效鉆桿刺孔管體內(nèi)壁形貌

2 力學(xué)性能檢驗

在失效鉆桿上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,該失效鉆桿的S和P含量分別為0.003 1%和0.007 7%,滿足SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)[1]要求。從失效鉆桿本體上分別取寬度為25.4 mm的全壁厚條形拉伸試樣和規(guī)格為7.5 mm×10 mm×55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣,拉伸試驗條件為室溫,沖擊試驗條件分別為21℃和-20℃。在鉆桿加厚過渡區(qū)取直徑為10 mm的拉伸試樣和規(guī)格為10 mm× 10 mm×55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣,拉伸試驗條件為室溫,沖擊試驗條件分別為21℃和-20℃,試驗結(jié)果如表1～2,測試結(jié)果均為3件平行試樣的平均值。結(jié)果表明,失效鉆桿的拉伸性能和縱向沖擊功符合SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)。

表1 鉆桿管體力學(xué)性能

表2 鉆桿加厚區(qū)力學(xué)性能

3 金相組織分析

在失效鉆桿存在探傷缺陷部位取樣,評定試樣材料中非金屬夾雜物等級為A0.5,B0.5,D0.5。試樣外表面有許多灰色物質(zhì)條帶,在灰色物質(zhì)條帶尖端部位有裂紋萌生,由外表面向內(nèi)穿晶擴(kuò)展,如圖4所示,采用在掃描電子對灰色物質(zhì)條帶及其尖端裂紋內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行能譜分析,能譜分析結(jié)果如圖5～6所示,灰色條帶的主要組成物質(zhì)為鐵的氧化物,尖端裂紋內(nèi)的物質(zhì)主要為鐵的氧化物和少量的泥漿組分。對金相試樣腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn),試樣外表面分布著一層厚的黑色氧化皮和深度約為0.2 mm的脫碳層,灰色條帶根部與試樣外表面的厚氧化皮相連,灰色物質(zhì)周圍環(huán)繞著明顯的脫碳層,脫碳層深度遠(yuǎn)大于表面脫碳層深度,灰色條帶尖端的裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象,試樣基體組織為回火索氏體。由以上金相和能譜分析結(jié)果可以確定,試樣內(nèi)的灰色物質(zhì)條帶為鉆桿礅粗加工過程中形成的折皺,皺折周圍的脫碳層是在礅粗過程中擠入基體內(nèi)部的。

圖4 試樣外表面

圖5 折皺內(nèi)物質(zhì)的能譜分析

圖6 裂紋內(nèi)物質(zhì)的能譜分析

在失效鉆桿刺孔尖端取樣進(jìn)行金相分析,試樣外表面裂紋筆直穿晶擴(kuò)展,裂紋根部開口較寬,兩側(cè)存在根須狀黑色物質(zhì)。對金相試樣進(jìn)行腐蝕發(fā)現(xiàn),裂紋根部灰色物質(zhì)兩側(cè)基體組織存在脫碳現(xiàn)象,裂紋前沿組織無異常,具有疲勞裂紋擴(kuò)展特征[2],如圖7～9所示。

圖7 試樣外表面裂紋形貌

圖8 裂紋兩側(cè)的脫碳現(xiàn)象

圖9 裂紋尖端組織形貌

4 微觀斷口分析

將刺孔尖端裂紋面打開,在掃描電子顯微鏡下觀察,裂紋斷面平坦,呈典型的弧形平臺,弧形平臺的圓心位于管體外側(cè),如圖10a的B區(qū)所示。高倍下觀察B區(qū)可見規(guī)則排列的二次裂紋條帶形貌,表面覆蓋著一些灰色附著物,如圖10b所示,斷口表面附著物的能譜分析結(jié)果如圖11所示,斷口表面的主要組成元素為Fe、O、C、Si、Al、Ca和Mn元素,由此可見,斷口表面的灰色附著物主要為鐵的氧化物和部分泥漿、巖屑的殘留物,斷口表面的腐蝕主要是氧腐蝕造成的。

圖10 裂紋擴(kuò)展面微觀形貌

圖11 裂紋擴(kuò)展前沿附著物的能譜分析

5 綜合分析

通過金相組織和能譜分析可以確定,試樣外表面分布著一層厚的黑色氧化皮和深度約為0.2 mm的脫碳層,并有大量礅粗加工過程中形成的折皺。折皺根部與外表面的厚氧化皮相連,折皺周圍環(huán)繞著明顯的脫碳層,脫碳層深度遠(yuǎn)大于表面脫碳層深度,但折皺一側(cè)的脫碳層的橫向厚度與表面脫碳層的厚度相當(dāng),并且管體非加厚部位無明顯的脫碳現(xiàn)象,折皺尖端的裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象。鉆桿管端礅粗加工過程為:軋制管坯→端部加熱→礅粗加厚→整管調(diào)質(zhì),結(jié)合鉆桿管端礅粗加厚過程,依據(jù)金相分析結(jié)果可以確定,鉆桿在端部礅粗加厚前的端部加熱時溫度過高,導(dǎo)致表面嚴(yán)重氧化,并發(fā)生明顯脫碳,在礅粗加厚過程中,由于礅粗變形量過大,將表面氧化皮及氧化皮下的脫碳層組織擠入基體組織內(nèi)部,從而在加厚部位形成大量深淺不一的折皺,折皺尖端的裂紋是在使用過程中產(chǎn)生的。將刺孔尖端裂紋面打開,斷面平坦,呈典型的弧形平臺,弧形平臺的圓心位于管體外側(cè)。在掃描電子顯微鏡下觀察裂紋擴(kuò)展前沿部位,可見規(guī)則排列的疲勞二次裂紋條帶形貌,斷口表面的灰色附著物主要主要為鐵的氧化物和部分泥漿、巖屑的殘留物。結(jié)合金相組織和微觀斷口分析可以確定,鉆桿的刺穿失效屬于疲勞失效,裂紋起源于鉆桿加厚區(qū)的折皺底部。

據(jù)現(xiàn)場了解的情況,該批鉆桿已服役3口定向井,累計進(jìn)尺約9 000 m,鉆桿在服役過程中承受復(fù)雜的拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷[3]。鉆桿加厚區(qū)折皺的存在不僅破壞了材料的連續(xù)性,降低了橫截面的有效承載面積,更重要的是,折皺的存在相當(dāng)于在鉆桿外表面預(yù)制開口缺陷,折皺尖端產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中效應(yīng),另外,折皺前沿的0.2 mm厚的脫碳層也明顯降低了材料的疲勞性能[4]。在鉆井過程中復(fù)雜交變載荷作用下,鉆桿加厚過渡區(qū)折皺底部首先萌生疲勞裂紋,在隨后的鉆進(jìn)過程中裂紋不斷疲勞擴(kuò)展。由于材料沖擊功遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求,韌性較好,阻止裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)[5],再加上該鉆桿處于距300～400 m位置,所承受的有效拉伸載荷相對較低,所以當(dāng)裂紋擴(kuò)展前沿穿透管體壁厚時,鉆井泥漿沿裂紋擴(kuò)展路徑迅速刺出,隨著泥漿刺孔的形成和擴(kuò)大,鉆井泵壓開始下降,隨后井隊將鉆柱提出,因此未導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展斷裂。

6 結(jié)論

1) 鉆桿的化學(xué)成分、拉伸性能和縱向沖擊功符合SY/T5561—2008標(biāo)準(zhǔn)。

2) 鉆桿加厚區(qū)刺穿失效的原因是管端在礅粗成形過程中加熱溫度過高,礅粗變形量過大使得外表面的脫碳層和氧化層被擠入管體內(nèi)部形成條帶狀分布的折皺缺陷。在鉆井過程中交變載荷作用下,深折皺底部萌生疲勞裂紋,導(dǎo)致鉆桿刺穿失效。

3) 建議生產(chǎn)廠改善鉆桿管端礅粗工藝,避免深折皺缺陷的形成。

[1] SY/T5561—2008,摩擦焊接鉆桿[S].

[2] 李方坡,劉永剛,林 凱,等.G105油井鉆桿失效分析[J].金屬熱處理,2009,34(10):94-97.

[3] 劉永剛,林 凱,胡安智,等.復(fù)雜深井鉆柱的安全性研究[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(1):17-20.

[4] 王廣生,石康才,周敬恩,等.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:100.

[5] 李方坡,黃 偉,路彩虹,等.?139.7 mm鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱向開裂失效分析[J].石油礦場機(jī)械,2009,38 (11):49-53.

Pieced Failure Analysis of?127 mm G105 Drilling Pipe Upset

LI Fang-po1,LIU Yong-gang1,LU Cai-hong1,WANG Yong2,WANG Yin-Zhen2
(1.CN PC Tubular Goods Research Institute,Xi’an710065,China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University ofPetroleum,Qingdao266555,China)

The failure causes of?127 mm G105 IEU drilling pipe upset were investigated through mechanical properties testing,optical morphologies and fracture surface analysis.The results showed that drilling pipe upset’s failure reason is the elephant hide and decarburized layer on its out-surface caused by improper heat treatment in forging process.Under the effect of alternating stresses,the cracks first initiated in the deepest position of elephant hide and developed quickly.In the end,they lead the drilling pipe to early pieced failure.

drill pipe;fold;decarburization;fatigue

1001-3482(2010)11-0040-04

TE921.207

A

2010-05-06

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(2008D-2404)

李方坡(1982-),山東菏澤人,工程師,主要從事油氣井管柱的材料開發(fā)、失效分析及安全可靠性研究,E-mail:lifangpo@163.com。壁其他部位涂層完好,如圖3所示。