工程用35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂失效分析

王洪禮　王　凌　劉立新

(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆830004)

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工程用35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂失效分析

王洪禮王凌劉立新

(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆830004)

新疆某油田公司使用的材質(zhì)35CrMo鋼鉆桿在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)螺紋部位斷裂現(xiàn)象。本文對(duì)斷裂鉆桿件的化學(xué)成分、宏觀形貌、維氏硬度、洛氏硬度和顯微組織進(jìn)行了分析測(cè)試，對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施，為進(jìn)一步優(yōu)化鉆桿生產(chǎn)工藝，提高鉆桿使用壽命，減少鉆桿失效事故提供了重要依據(jù)。

1分析方法及結(jié)果

1.1　化學(xué)成分分析

斷裂鉆桿材質(zhì)為35CrMo鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》。采用Q8火花直讀發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂鉆桿的化學(xué)成分進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果見表1。與GB/T3077標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照發(fā)現(xiàn)，斷裂鉆桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2　斷口的宏觀形貌

圖1為現(xiàn)場(chǎng)截取的斷裂鉆桿件試樣。通過肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn)，斷裂鉆桿的螺紋部分有較嚴(yán)重的損傷，結(jié)構(gòu)較粗糙，靠近螺紋根部的邊緣較為平坦，螺紋面有大量腐蝕坑。說明腐蝕對(duì)裂紋的產(chǎn)生具有一定促進(jìn)作用，同時(shí)斷口宏觀形貌以韌窩為主，顯示韌性斷裂的特征。分析認(rèn)為這是鉆桿松動(dòng)后，內(nèi)外螺紋產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)撞擊螺紋部分所致。

表1　鉆桿化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition analysis result of fractured drill pipe (mass fraction, %)

圖1　斷裂鉆桿斷口宏觀形貌

1.3　硬度試驗(yàn)

截取斷裂鉆桿螺紋處的不同部位，用HRS—150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度，測(cè)試結(jié)果在27.8～31.4HRC之間。圖紙要求的硬度范圍為24.5～31.5HRC，表明鉆桿的硬度比較偏上限，同時(shí)硬度分散性較大，說明鉆桿生產(chǎn)工藝的一致性較差。

用HVS—30型維氏硬度計(jì)對(duì)鉆桿螺紋處的表面顯微硬度及心部顯微硬度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。從表2可以看出表面顯微硬度明顯高于心部顯微硬度。根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，不允許表面顯微硬度高出心部顯微硬度30HV0.3。鉆桿顯微硬度超標(biāo)，說明在鉆桿生產(chǎn)過程中對(duì)碳含量控制不嚴(yán)格含量過高，從而使鉆桿螺紋表面較硬脆，塑性明顯低于內(nèi)部。在使用過程中會(huì)降低鉆桿抗疲勞強(qiáng)度及冷熱疲勞抗力性能。

表2　顯微硬度檢測(cè)結(jié)果

(a)斷裂鉆桿金相組織 ×100

(b)斷裂鉆桿金相組織 ×500

1.4　金相組織

用線切割方法沿?cái)嗔雁@桿螺紋的縱截面截取試樣，按照GB/T13298—1991規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。金相試樣用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，使用XJG—05型金相顯微鏡分別在100倍和500倍下觀察微觀顯微組織形貌，如圖2所示。

從圖2中可以看出，其顯微組織為回火索氏體+上貝氏體?；鼗鹚魇象w是鉆桿熱處理后的正常組織，而上貝氏體則會(huì)顯著影響鉆桿的力學(xué)性能，是有害組織。上貝氏體的產(chǎn)生是由于熱處理工藝不當(dāng)造成的。依據(jù)鋼鐵材料熱處理過程中的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線，淬火冷卻過程中冷卻速度對(duì)組織的影響顯著。如果冷卻速度較慢，會(huì)使冷卻曲線碰到C曲線的“鼻子”，使材料發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致材料性能下降。鉆桿件在熱處理過程中淬火溫度過高，會(huì)引起晶粒粗大，同時(shí)淬火后冷卻速度太慢，組織中生成明顯的上貝氏體組織，導(dǎo)致鉆桿韌性變差，降低了材料的強(qiáng)韌性。

2討論

通過對(duì)35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂件進(jìn)行一系列試驗(yàn)分析，得出斷裂原因是：

鉆桿淬火時(shí)溫度過高，冷卻速度過慢導(dǎo)致組織中出現(xiàn)上貝氏體組織，使晶粒間強(qiáng)度大大降低，脆性明顯增加。這是造成鉆桿螺紋斷裂的主要原因；

鉆桿螺紋外表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，腐蝕對(duì)裂紋的產(chǎn)生有一定促進(jìn)作用；

鉆桿碳含量過高也是引起其斷裂原因之一。

3改進(jìn)措施

針對(duì)鉆桿螺紋斷裂原因，采取了以下改進(jìn)措施，以提高鉆桿螺紋的強(qiáng)韌性，減少斷裂發(fā)生。

存放鉆桿位置盡量遠(yuǎn)離井下酸性環(huán)境，并定期清洗鉆桿；

適當(dāng)調(diào)整熱處理工藝，降低淬火溫度，提高冷卻速度。這樣能確保螺栓的顯微組織形成強(qiáng)韌性好的回火索氏體；

適當(dāng)減少鉆桿中碳含量。

參考文獻(xiàn)

[1]熱處理手冊(cè)編委會(huì).熱處理手冊(cè)：第四分冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1978.

[2]趙海麗，陳琦峰，王繼良. 35CrMo鋼螺栓斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理, 2007， 32(6): 114-115.

[3]高尚，徐勇，孫國(guó)雄，等.高強(qiáng)度螺栓斷裂分析[J]. 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè).2006， 42(6): 306-308.

[4]管朝暉，楊斌. 工程用鉆桿螺紋斷裂失效研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009(12): 152-154.

編輯杜敏

摘要：對(duì)工程用35CrMo鋼鉆桿螺紋斷裂件的化學(xué)成分、維氏硬度、洛氏硬度、斷口宏觀形貌和微觀組織進(jìn)行了分析。結(jié)果表明熱處理工藝不穩(wěn)定，出現(xiàn)非正常組織是鉆桿斷裂失效的主要原因。研究為進(jìn)一步優(yōu)化鉆桿熱處理工藝提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：35CrMo；鉆桿；斷裂；失效分析

Invalid Analysis of 35CrMo Steel Drill Pipe Thread Fracture Used in Engineering

Wang Hongli, Wang Ling, Liu Lixin

Abstract：Thread fracture of 35CrMo steel drill pipe used in engineering has been analyzed chemical composition, Vickers hardness and Rockwell hardness as well as macro appearance and micro structure of fracture. The result showed that unordinary structure raised by unstable heat treatment process was main cause of drill pipe fracture, which provided vital basis for further improving heat treatment process of drill pipe.

Key words：35CrMo; drill pipe; fracture; invalid analysis

作者簡(jiǎn)介：王洪禮(1982—)，男，碩士，主要從事金屬材料的檢驗(yàn)工作。

收稿日期：2014—05—05

中圖分類號(hào)：TG115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B