Φ159mm懸浮器斷裂原因分析

葛明君

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

·試驗研究·

Φ159mm懸浮器斷裂原因分析

葛明君

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

通過現場井況、斷口形貌、材料的化學成分、力學性能和幾何形狀等因素綜合分析了Φ159mm懸浮器斷裂機理，確定了Φ159mm懸浮器內螺紋發(fā)生早期疲勞斷的原因，即由于內螺紋絲扣牙底嚴重的應力集中以及材料的脆性共同作用而導致。

懸浮器；斷裂

1 失效情況

某油田一油井正常鉆進至井深2 183 m時進行檢查，懸重為830 kN，泵壓9 MPa，方鉆桿外余1.2 m，均正常，于是停鉆，并提起鉆具準備接單根。提起鉆具后，發(fā)現鉆具懸重降至580 kN，泵壓降至5.5 MPa。5:00開始起鉆，13:00起鉆完畢，發(fā)現Φ159 mm懸浮器連接體與花鍵體連接處的內螺紋部位斷裂。該懸浮器總長為5.18 m，斷口上部長度為3.26 m,斷口下部長度為1.92 m。

鉆進時鉆具組合為：

J22鉆頭+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ178 mm短鉆鋌+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ178 mm鉆鋌+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ178 mm減震器+Φ178 mm鉆鋌+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ159 mm鉆鋌+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ159 mm鉆鋌+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ159 mm懸浮器+Φ214 mm鉆具穩(wěn)定器+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm加重鉆桿+Φ127 mm鉆桿。

鉆井時鉆井參數為鉆壓240～250 kN，轉速60～65 r/min，密度1.08～1.10 g/cm3,泵壓8～9 MPa，排量25～28 l/s。

該斷裂失效的懸浮器使用井段為2 018～2 183 m,進尺165 m，鈍鉆時間為22 h。

據井隊反映，鉆進過程中鉆頭工作平穩(wěn)，無蹩鉆和跳鉆等現象，懸浮器保持懸浮鉆壓240～250 kN。

2 斷口形貌分析

該斷裂懸浮器的宏觀斷口形貌如圖1所示。

圖1 懸浮器宏觀斷口形貌(0.47倍)

從圖1可見，該懸浮器斷口面可分為兩個區(qū)域，一個是平坦區(qū)，與懸浮器軸線垂直，另一個是斜面區(qū)，與懸浮器軸線夾角為銳角。平坦區(qū)斷口表面較平整，呈現疲勞特征，即為裂紋疲勞擴展區(qū)。斜面區(qū)較粗糙，并隱約可見一次性擴展形貌，因而斜面區(qū)主要為瞬斷區(qū)。根據平坦區(qū)和斜面區(qū)所占的面積，疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)的面積約各占整個斷口面面積的50%。經仔細檢查，疲勞區(qū)裂紋均起源于絲扣牙底，且具有多源特征。

該懸浮器連接體與花鍵體連接處的螺紋為梯形細扣，其中斷裂失效的內螺紋牙底形狀如圖2所示。

從圖2可見，該內螺紋牙底兩側圓角處幾乎沒有過渡圓弧，其中左側圓角最為明顯，經測量，左側圓角處的圓角半徑約為0.02 mm，由此可見，內螺紋牙底兩側圓角處應力集中嚴重。

圖2 懸浮器斷裂失效的內螺紋牙底形狀(25倍)

3 理化檢驗

3.1 化學成分檢測

在斷裂失效的懸浮器斷口附近取樣，用直讀光譜儀和碳硫分析儀分析其材料的化學成分，結果見表1。

表1 化學成分分析結果 %

3.2 力學性能試驗

在斷裂失效懸浮器的斷口附近取樣,進行拉伸性能試驗,并取10×10×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣及縱向條狀硬度試樣,進行沖擊韌性及硬度試驗,試驗結果見表2。

由于懸浮器是一種井下工具,目前尚無相應質量標準,而它又用于井下鉆柱的鉆鋌部位,故參考鉆鋌標準中的力學性能要求。表2的試驗結果表明，該失效懸浮器的沖擊功值很低，說明其材料韌性很差。

用電子掃描顯微鏡對沖擊斷口微觀形貌進行分析，

表2 力學性能試驗結果

其微觀形貌為解理+準解理，如圖3所示。

圖3 沖擊斷口微觀形貌

3.3 金相檢驗

在斷口部位取金相試樣進行分析,其金相組織為回火索氏體+上貝氏體，如圖4所示,材料中的夾雜物級別為A1.5,B0.5,C1.0,D0.5,組織晶粒度為8.0級。

圖4 失效懸浮器金相組織布(500倍)

4 討 論

懸浮器是實現懸浮鉆井的專用工具，是為減緩鉆柱縱向振動而設計的，懸浮器一般處于鉆柱中和點附近，在正常工作狀態(tài)下，懸浮器基本不受軸向載荷。

從圖1所示的斷口形貌可見，該懸浮器在使用中首先從內螺紋絲扣底部多處萌生疲勞裂紋，隨后疲勞擴展。當疲勞裂紋擴展區(qū)面積達到該處橫截面約50%的面積時，便發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。

圖1所示的斷口疲勞區(qū)均起源于內螺紋絲扣牙底圓角處，相應于圖2所示的牙底左側圓角。經測量，圖2中牙底左側圓角處幾乎無圓弧過渡，為尖角，因而該部位的應力集中很大。API STD 5B對偏梯形套管絲扣牙兩側圓角的過渡圓弧半徑規(guī)定為0.20 mm,API SPEC 7對IF絲扣牙底兩側圓角過渡圓弧半徑規(guī)定為0.381 mm,正是為了減小絲扣牙底的應力集中程度。如果該懸浮器失效的內螺紋絲扣牙底采用了上述兩種過渡圓弧，則應力集中程度會大大減小。由于懸浮器使用于鉆柱中，因而應采用相當于鉆具IF型絲扣牙底的圓角半徑。當懸浮器失效內螺紋牙底兩側圓角采用半徑R=0.381 mm的過渡圓弧時,其牙底形狀如圖5所示。

從圖5可見，如果失效懸浮器的內螺紋絲扣牙底兩側圓角過渡圓弧半徑R=0.381 mm時則可有效地改善牙底兩側圓角處的應力集中程度。

力學性能試驗結果表明，該懸浮器的強度指標能達到使用要求，但其韌性指標值很低，平均值僅為18.7 J,這是由于其熱處理工藝不當，材料金相組織不良所造成的。經掃描電鏡觀察，沖擊斷口微觀形貌為解理+準解理，也進一步說明材料韌性很差。由于材料韌性差，因而當疲勞裂紋擴展至橫截面面積的50%的區(qū)域時，便發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。

由于失效的內螺紋絲扣牙底應力集中嚴重，使牙底應力集中處存在了應力升高源，另外，由于其材料韌性差，從而使懸浮器內螺紋絲扣部位對牙底處產生的應力升高源的作用更為敏感[1]，即牙底處高的應力集中及材料的脆性化，使該懸浮器內螺紋絲扣處的疲勞抗力顯著降低，從而在旋轉彎曲服役狀態(tài)下萌生了疲勞裂紋，進而在繼續(xù)使用中疲勞擴展，最后失穩(wěn)斷裂。從使用情況可知，該懸浮器使用僅22 h就發(fā)生了斷裂失效，正是由于嚴重的應力集中及材料的脆性共同作用，使其內螺紋發(fā)生了早期斷裂失效。

前已述及，由于懸浮器是一種井下工具，因而現在還沒有相應的質量標準，油田訂貨時可能也沒有具體質量要求，而廠家產品的設計、生產也存在一定的缺陷，致使懸浮器產品在結構及內在質量方面存在問題，從而導致井下失效事故。因而油田迅速和廠家協(xié)商，檢驗還未使用的懸浮器的質量，并提出懸浮器的內在質量及局部結構要求，確保以后生產的懸浮器的質量達到使用要求，減少和避免類似失效事故。

5 結 論

1)斷裂失效的Φ159 mm懸浮器材料韌性差，連接體與花鍵體連接處的螺紋梯形絲扣牙底應力集中嚴重。

2)懸浮器內螺紋絲扣牙底嚴重的應力集中以及材料的脆性共同作用，使其內螺紋發(fā)生了早期疲勞斷裂。

[1] 美國金屬學會. 金屬手冊，第八版，第十卷，失效分析與預防[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986.

Analysis of Fracture Causes for theΦ159mm Suspension Device

GE Mingjun

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The fracture mechanism were analyzed forΦ159mm suspension device through studying the related elements such as the hole condition of the well, the fracture morphology, the material chemical composition, the mechanical properties and geometry factors. The results show that the internal thread earlier fatigue is the reason for the fracture ofΦ159mm suspension device, which was induced by the interaction of the internal thread tooth bottom serious stress concentration and the brittleness of the material.

suspension device; fracture

葛明君，男，1965年生，工程師，1988年畢業(yè)于北京航空航天大學金屬材料專業(yè)，現主要從事石油管材質量檢驗、科研和失效分析等技術論文編輯工作。E-mail：gemj@cnpc.com.cn

TE921+.2

A

2096-0077(2017)02-0055-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.013

2016-11-22 編輯：馬小芳)