鉆井泵閥箱疲勞壽命分析

王宗寶 陳來軍 張 旭 張 杰

(1.中石化西南石油工程公司重慶鉆井分公司，重慶 404100;2.中國石油西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司，甘肅 酒泉 735000;3.中國石油玉門油田分公司酒東油田作業(yè)區(qū)，甘肅 酒泉 735000;4.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

鉆井現(xiàn)場使用的鉆井泵閥箱容易發(fā)生失效，因此，現(xiàn)場施工人員要隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢測。一旦出現(xiàn)鉆井泵閥箱失效，整個(gè)鉆井系統(tǒng)就會(huì)處于癱瘓狀態(tài)，這對(duì)鉆井施工及安全造成很大的影響。從宏觀和微觀結(jié)構(gòu)中找到鉆井泵閥箱失效的原因，為鉆井泵閥箱材料選材提供有效依據(jù)。

1 鉆井泵閥箱材料疲勞試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原理

通過金屬材料疲勞試驗(yàn)觀察疲勞破壞現(xiàn)象和斷口特征，在對(duì)稱循環(huán)下測定金屬材料疲勞極限。

靜載下塑性性能很好的材料，當(dāng)承受交變應(yīng)力時(shí)，往往在應(yīng)力低于屈服極限沒有明顯塑性變形的情況下，突然斷裂。疲勞斷口(見圖1)分為2個(gè)區(qū)域:光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)和粗糙的斷裂區(qū)。裂紋形成后，交變應(yīng)力使裂紋的兩側(cè)時(shí)而張開時(shí)而閉合，相互擠壓反復(fù)研磨，形成光滑區(qū)。載荷的間斷和大小的變化，在光滑區(qū)留下多條裂紋前沿線。粗糙的斷裂區(qū)是最后突然斷裂形成的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，約70%的失效機(jī)械零件是疲勞引起的，而且造成的事故大多數(shù)是災(zāi)難性的［1］。

因此，通過實(shí)驗(yàn)研究鉆井泵閥箱材料疲勞試驗(yàn)，對(duì)鉆井泵閥箱材料的選擇以及防止失效發(fā)生具有重要的實(shí)際意義。

圖1 疲勞斷口形貌特征示意圖

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

主要設(shè)備:純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺;主要耗材:緩蝕劑加注泵隔膜材料試樣。

疲勞試驗(yàn)研究使用的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)的型號(hào)為國產(chǎn)PQ-6型，如圖2所示。其杠桿比MLr=1，該試驗(yàn)機(jī)的加載載荷和對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力關(guān)系為［2］:

式中:G— 加載載荷，N;D— 試樣直徑，mm;σ—彎曲應(yīng)力，MPa。

對(duì)于鉆井泵閥箱材料管體，加工成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣。旋轉(zhuǎn)彎曲試樣加工要求為:試樣加工前不允許對(duì)試樣進(jìn)行校直，加工后的試樣表面不允許存在裂紋以及擦傷等損傷，過渡部分必須圓滑。

圓弧形光滑小試樣如圖3所示，其直徑為7～10 mm，試樣的其他外形尺寸，因疲勞試驗(yàn)機(jī)不同而異，沒有統(tǒng)一規(guī)定。

圖2 國產(chǎn)PQ-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖3 圓弧型光滑小試樣

2 鉆井泵閥箱材料裂紋斷口失效分析

目前對(duì)斷裂行為的研究方法主要有2種，一種是采用斷裂力學(xué)原理，根據(jù)彈性力學(xué)及彈塑性理論，并考慮材料內(nèi)部存在缺陷的研究方法;另一種從材料的顯微組織、微觀缺陷，甚至分子和原子的尺度上研究斷裂行為的方法［3-6］。

2.1 鉆井泵閥箱材料裂紋斷口宏觀形貌

斷口的宏觀分析是指在各種不同照明條件下用肉眼、放大鏡或體式顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行直接觀察分析:確定斷裂的類型和方式，為判明斷裂失效的模式提供依據(jù);尋找斷裂起源區(qū)和斷裂擴(kuò)展方向;估算斷裂失效件應(yīng)力集中的程度和名義應(yīng)力的高低;觀察斷裂源區(qū)有無宏觀缺陷等。需注意觀察以下幾個(gè)方面的特征:(1)斷口上是否存在放射花樣及人字紋。(2)斷口上是否存在弧形跡線。(3)斷口的粗糙程度。一般來說，斷口變得粗糙，即可以表征失效斷口特征“花樣”變得粗大，則發(fā)生剪切失效斷裂所占的情況就越多。(4)端面的光澤和色彩，例如在強(qiáng)光下轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)解理、解理失效斷裂的金屬斷面，可以觀察到發(fā)光的小刻面。(5)斷面和最大正應(yīng)力的傾斜角。應(yīng)力狀態(tài)不同、材料不同及所處的外界環(huán)境不同，則斷口與最大正應(yīng)力的夾角不同。(6)斷口特征區(qū)劃分、位置分布及面積大小。

鉆井泵閥箱材料產(chǎn)生的裂紋見圖4。裂紋沿45°方向擴(kuò)展，在主裂紋上出現(xiàn)了分支。在強(qiáng)光下轉(zhuǎn)動(dòng)斷面，可以觀察到發(fā)光的小刻面。

圖4 鉆井泵閥箱產(chǎn)生的裂紋

2.2 鉆井泵閥箱材料裂紋斷口微觀形貌

圖5為標(biāo)準(zhǔn)光滑圓弧試樣在32 MPa應(yīng)力水平下循環(huán)573 356次后的疲勞斷口形貌。從圖中可清晰地看到疲勞擴(kuò)展過程的3個(gè)階段。疲勞斷口有3個(gè)區(qū)域:疲勞斷口由于在循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展后經(jīng)過反復(fù)擠壓形成的較暗區(qū)域;裂紋擴(kuò)展過程中沒有受到反復(fù)擠壓的區(qū)域;瞬間斷裂區(qū)。觀察到的區(qū)域可以劃分為疲勞區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。

圖5(a)為裂紋擴(kuò)展的反復(fù)擠壓區(qū)，該區(qū)域的表面形貌為試樣斷口相互擠壓后形成的壓痕。疲勞裂紋的裂紋源存在于該區(qū)域的表面附近位置，但由于壓痕的存在，疲勞裂紋起源處形貌被破壞，無法觀察到疲勞裂紋起始形貌。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌如圖5(b)所示，疲勞斷口比較粗糙，存在撕裂片層，其斷裂微觀形貌表現(xiàn)為撕裂狀斷裂，其裂紋的擴(kuò)展表現(xiàn)為韌性擴(kuò)展方式。圖5(c)是疲勞斷裂的瞬斷區(qū)形貌圖，該形貌由許多小的空洞組成，瞬斷區(qū)斷裂機(jī)理為空洞聚集。

圖5 32 MPa應(yīng)力下疲勞試件斷口形貌(循環(huán)573 356次)

3 提高鉆井泵閥箱材料疲勞壽命的措施

根據(jù)鉆井泵閥箱材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果，為提高鉆井泵閥箱材料疲勞性能，可采取以下措施:

(1)加強(qiáng)鉆井泵閥箱探傷和精細(xì)管理。及時(shí)對(duì)現(xiàn)場鉆井泵閥箱進(jìn)行檢測，嚴(yán)格按照探傷檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，避免因質(zhì)量問題而出現(xiàn)的鉆井泵閥箱疲勞斷裂等事故的發(fā)生。

(2)在鉆井泵閥箱內(nèi)涂層，增強(qiáng)閥箱抗腐蝕能力。通過在鉆井泵閥箱內(nèi)涂層，減輕鉆井液對(duì)閥箱的腐蝕，提高閥箱疲勞壽命。

(3)改進(jìn)閥箱的材料。從疲勞實(shí)驗(yàn)可以看出，鋼種存在少量大尺寸的夾雜物，生產(chǎn)廠家要進(jìn)一步提高閥箱材料的成分，從而提高閥箱的疲勞壽命。

4 結(jié)論

(1)在鋼中存在少量大尺寸的夾雜物，這些夾雜物在試樣的表面和近表面可能成為疲勞裂紋源。較大尺寸的夾雜物將會(huì)導(dǎo)致材料疲勞性能降低。

(2)鉆井泵閥箱材料裂紋產(chǎn)生的原因可能是由于材料表面滑移的結(jié)果。

(3)通過微觀分析，鉆井泵閥箱材料裂紋以脆性的方式擴(kuò)展，瞬斷區(qū)斷裂機(jī)理為空洞聚集。

［1］徐灝.疲勞強(qiáng)度［M］.北京:高等教育出版社，1988:2-8.

［2］陳傳堯.疲勞與斷裂［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007:21-28.

［3］李鶴林，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防措施［J］.石油機(jī)械，1990，18(8):38-44.

［4］李鶴林.石油鉆柱失效分析與預(yù)防［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999:27-28.

［5］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2002:45-46.

［6］章?lián)P烈，肖載陽.鉆柱的劇烈振動(dòng)與控制［J］.石油礦場機(jī)械，1999，28(3):6-10.