冷組裝鋁合金鉆桿螺紋副力學(xué)性能測試及失效分析

劉寶昌，李 闖，張 弛，馬少明，孫永輝

(1.吉林大學(xué)地球信息探測儀器教育部重點實驗室，建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026; 2.國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，吉林 長春 130026)

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冷組裝鋁合金鉆桿螺紋副力學(xué)性能測試及失效分析

劉寶昌1,2，李 闖1，張 弛1，馬少明1，孫永輝1

(1.吉林大學(xué)地球信息探測儀器教育部重點實驗室，建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026; 2.國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，吉林 長春 130026)

與傳統(tǒng)的鋼制鉆桿相比，鋁合金鉆桿具有密度小、比強度高、無磁等優(yōu)點，因此在深井與超深井鉆井作業(yè)中具有較大優(yōu)勢。在實際使用中，鋁合金鉆桿兩端需要通過鋼接頭之間的螺紋來實現(xiàn)擰卸鉆桿，而鋁合金桿體與鋼接頭還需要過盈裝配以實現(xiàn)緊固連接 。以液氮為冷源，對?50 mm的7075鋁合金鉆桿管體與鋼接頭進行了“冷組裝”過盈裝配，鋁合金管體與鋼接頭之間的過盈量分別為0.10、0.15、0.20 mm。對組裝后兩端帶鋼接頭的鋁合金鉆桿分別進行了拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗，評價了鋁合金管體與鋼接頭連接的可靠性，對斷裂試樣的斷口進行了宏觀與微觀分析，闡述了其斷裂機理。結(jié)果表明，采用“冷組裝”方式可以實現(xiàn)鋁合金管體與鋼接頭的過盈裝配，其中過盈量為0.15 mm時，帶鋼接頭的鋁合金鉆桿綜合性能較優(yōu)，可以承受較大的抗拉強度極限和抗扭極限，其斷裂方式為脆性斷裂。

鋁合金鉆桿；冷組裝；過盈配合；斷裂機理

0 引言

在鉆井過程中，鉆桿起到向井底傳遞鉆壓與扭矩、輸送鉆井液等重要作用，是鉆井裝備中的重要組成部分[1-2]。與傳統(tǒng)的鋼制鉆桿相比，鋁合金鉆桿因其密度低、比強度高、耐腐蝕性強、彎曲應(yīng)力小等優(yōu)異性能，在鉆進超深井、定向井、大位移井及酸性腐蝕地層等領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢[3-6]。鋁合金鉆桿已經(jīng)在俄羅斯等發(fā)達國家應(yīng)用幾十年，特別是在SG-3井等超深井及海洋深水鉆井中成功應(yīng)用[7-9]，積累了大量的使用經(jīng)驗。目前，中國已經(jīng)在滿足深部油氣鉆井需求的大直徑鋁合金鉆桿及滿足地質(zhì)鉆探需求的小直徑鋁合金鉆桿[10-12]的制造工藝方面取得了一系列研究成果，國產(chǎn)鋁合金鉆桿已在“松科二井”及吉林省松原市乾安縣安子鎮(zhèn)婦字村(大情字井油田黑70塊區(qū)情28-10定向采油井)定向采油井中進行了試驗[13-16]。

由于鋁合金管體的硬度較低，無法承受頻繁的擰卸作業(yè)對管體的損傷，因此一般需要在鋁合金管體兩端連接鋼接頭，通過鋼接頭與鋼接頭之間的螺紋實現(xiàn)鉆桿柱的連接和拆卸[17-19]。而鋁合金管體與鋼接頭的彈性模量相差較大，采用傳統(tǒng)的焊接方法很難將其可靠地連接在一起；若通過普通螺紋連接，在擰卸鉆桿的過程中也容易造成鋁合金管體與鋼接頭之間卸扣，從而使連接失效。因此，一般采用在鋁合金管體與鋼接頭之間實現(xiàn)過盈配合的方法，實現(xiàn)二者之間的可靠連接。為了在鋁合金管體和鋼接頭之間實現(xiàn)過盈配合，目前常用“熱組裝”方法，就是將鋼接頭加熱至一定溫度使其膨脹，然后快速擰接到鋁合金管體上，同時用冷卻水對鋁合金管體進行降溫，二者達到溫度平衡后即可實現(xiàn)過盈配合連接[20]。然而，“熱組裝”方法在操作過程中，被加熱的鋼接頭與鋁合金管體接觸瞬間的高溫容易使鋁合金產(chǎn)生不同程度的熱損傷，從而降低其性能[21]。C. Santus研究表明[22]，“冷組裝”的鋁合金鉆桿比“熱組裝”的抗扭強度高，但目前關(guān)于鋁合金鉆桿與鋼接頭通過“冷組裝”方法實現(xiàn)過盈裝配的報道較少。本文以液氮作為冷卻源，開展了鋁合金鉆桿和鋼接頭的“冷組裝”試驗，對組裝后的鋁合金鉆桿進行了力學(xué)性能測試(抗拉伸與抗扭轉(zhuǎn)性能)，并根據(jù)斷口微觀形貌對其斷裂機理進行了分析。本研究可以為實現(xiàn)鋁合金鉆桿管體與鋼接頭的可靠連接提供借鑒。

1 試驗材料與方法

試驗所采用的鋁合金管體直徑為50 mm，長度為133 mm，鋁合金的牌號及熱處理狀態(tài)為7075-T6。管體兩端加工了錐度為1∶32的T形錐螺紋，螺紋段的長度為50 mm。鋁合金管體兩端和鋼接頭螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。

圖1 螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)

為實現(xiàn)鋁合金管體與鋼接頭的可靠連接，需確定兩者之間合理的過盈量。根據(jù)前人研究成果[23]對鋁合金鉆桿的過盈量進行了計算，確定了?50 mm鋁合金管體的有效過盈量(鋁螺紋的齒底和鋼螺紋的齒頂處過盈，加工時以公接頭為準，手擰緊密距分別為3.2、4.8、6.4 mm。)范圍應(yīng)為0.0960～0.3214 mm。考慮加工精度因素，在鋁合金管體半徑方向上分別設(shè)計了0.10、0.15、0.20 mm 3種不同的過盈量。以液氮作為冷卻源，將鋁合金管體放入深冷處理箱中冷卻一定時間，使其遇冷收縮，隨后立即取出與鋼接頭進行裝配，待恢復(fù)室溫后，實現(xiàn)二者過盈裝配。連接后的鋁合金鉆桿如圖2所示。

采用WEW-1000型微機屏顯液壓式萬能試驗機對冷組裝的鋁合金鉆桿試樣進行了室溫抗拉試驗(如圖3所示)，勻速緩慢拉伸至其斷裂，并記錄拉力及斷裂位置。室溫扭轉(zhuǎn)試驗(如圖4所示)采用靜扭試驗機，通過法蘭將鋁合金鉆桿試樣固定到靜扭試驗機的電機端和支架端，緩慢勻速施加扭矩至其斷裂，并記錄其斷裂扭矩。使用Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對拉伸和扭轉(zhuǎn)斷裂的斷口進行微觀分析。

圖2 “冷組裝”鋁合金鉆桿試樣

圖3 鋁合金鉆桿拉伸試驗

圖4 鋁合金鉆桿抗扭試驗

2 結(jié)果與討論

鋁合金鉆桿的抗拉及抗扭試驗結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在該試驗研究范圍內(nèi)，以不同過盈量裝配的鋁合金鉆桿，其抗拉伸和抗扭轉(zhuǎn)性能不同。隨著過盈量的增大，鋁合金鉆桿的極限抗拉強度及極限扭矩先增加后降低。當鋁合金管體與鋼接頭之間的過盈量為0.15 mm時，通過“冷組裝”方法裝配的鋁合金鉆桿所能承受的極限抗拉強度和極限扭矩均最大，斷裂位置均為鋁合金桿體公螺紋最后一扣的根部。

表1 ?50 mm鋁合金鉆桿抗拉與抗扭試驗數(shù)據(jù)

注：拉伸試驗每個過盈量均做了3次拉伸，即9個試樣，表中數(shù)據(jù)為3個數(shù)據(jù)的平均值；扭轉(zhuǎn)試驗每個過盈量做了1次扭轉(zhuǎn)，即3個試樣。

將鉆桿螺紋連接部位剖開進行觀察及測量(如圖5所示)，可以看到鋁合金鉆桿其余螺紋部位沒有產(chǎn)生任何變形和脫扣的跡象。在車削螺紋的過程中，鋁合金管體螺紋的根部成為應(yīng)力最集中的位置[24-25]，因此，在本試驗中，所有的鋁合金鉆桿均在該位置發(fā)生斷裂。

圖5 斷裂后鋁合金鉆桿螺紋部位剖面照片

不同過盈量裝配的螺紋局部放大20倍照片如圖6所示。對比圖6(a)和圖6(b)可以看出，后者的齒間嚙合較好(鋼接頭螺紋的齒頂與鋁合金螺紋的齒底間隙適中)，因此，這樣裝配的螺紋各齒間的應(yīng)力分配更均勻，所能承受的極限應(yīng)力也更大一些。從圖6(c)中可以看到，鋁合金管體的螺紋被壓縮變形較為明顯。而且從表1中的試驗結(jié)果可以看出，以0.20 mm過盈量裝配的鋁合金鉆桿，其所能承受的抗拉極限強度和極限扭矩已經(jīng)低于以0.15 mm過盈量裝配的鋁合金鉆桿，這說明以0.20 mm過盈量進行裝配可能會使鋁合金材料超過可承受的最大彈性變形范圍，即此時螺紋部位的鋁合金材料已經(jīng)處于塑性變形狀態(tài)且屈服強度已經(jīng)降低。雖然0.20mm過盈量會使得鋁合金管體螺紋與鋼接頭螺紋各齒間的嚙合更好，但是螺紋部位鋁合金材料屈服強度的降低反而會使鋁合金鉆桿的抗拉極限強度和極限扭矩降低。因此，隨著過盈量的增大，鋁合金鉆桿的抗拉與抗扭性能均是先增大后降低的，在本文中，以 0.15 mm過盈量裝配的鋁合金鉆桿的極限拉伸強度和極限扭矩最高。

圖6 鋁合金鉆桿螺紋局部20倍放大照片

對鋁合金鉆桿的拉伸斷口和扭轉(zhuǎn)斷口分別進行了宏觀、微觀觀察和分析，如圖7和圖8所示。

圖7 鋁合金鉆桿拉伸斷口宏觀及微觀照片

圖8 鋁合金鉆桿扭轉(zhuǎn)斷口宏觀及微觀照片

從圖7(a)可以看出，鋁合金鉆桿的拉伸斷口宏觀上較齊平、塑性變形較小且無明顯頸縮，無剪切唇。微觀上，從圖7(b)中可以看到大量無金屬光澤的直徑約為5 μm的圓形或橢圓形的韌窩(微坑)，且在有的韌窩內(nèi)可以看到尺寸較小的夾雜物或粒子，斷口中的韌窩被拉長的較短(韌窩的尺寸較小)，這樣形貌的韌窩說明在斷裂時應(yīng)力的分布較為均勻，即在拉伸過程中整個鋁合金鉆桿截面受到均勻的拉力。在圖7(b)中A點附近可能先產(chǎn)生裂紋(裂紋源區(qū))，隨后裂紋逐漸向兩側(cè)擴展(裂紋快速擴展區(qū))；在圖7(c)中，則韌窩數(shù)量少且特征不明顯，且部分位置表面光滑有金屬光澤，河流狀花紋相對比較明顯，為脆性解理，表明在該位置鋁合金鉆桿無法繼續(xù)承受這樣的極限拉伸應(yīng)力，在B點區(qū)域(失穩(wěn)區(qū))迅速斷裂。

一般情況下，過載斷裂的鋼鉆桿斷口宏觀上塑性變形較大、頸縮較明顯，微觀上以韌窩為主[26]。與鋼鉆桿相比，7075鋁合金鉆桿斷裂形貌差異很大，即塑性變形較小、頸縮現(xiàn)象不明顯，微觀上裂紋源區(qū)以韌窩為主，斷裂區(qū)以脆性解理為主，斷裂方式為脆性斷裂。

從圖8(a)可以看出，鋁合金鉆桿的扭轉(zhuǎn)斷口表面一部分光滑、一部分粗糙。從圖8(b)中可以清晰的看到沿著單一方向被拉長的卵形韌窩，說明在扭轉(zhuǎn)過程中不斷增加的剪切應(yīng)力使得裂紋沿單一方向生長和擴展，這可能是由于扭矩加載初期時間較長，扭矩的不斷緩慢增加導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，較緩慢的生長速度導(dǎo)致裂紋處形成了較為明顯的卵形韌窩，因此，該點區(qū)域是裂紋初始生長位置。從圖8(c)可清晰觀察到大量近似為卵形的韌窩，與C點相比其尺寸較小且與C點具有相同的方向，生長速度較快，形成了較小的卵形韌窩。從圖8(d)可以清晰地看到被極度拉長的卵形韌窩，且趨勢與C、D處相同，表明此處裂紋的擴展速度較快，來不及長成規(guī)則的卵形韌窩，因此，該處為極速擴展區(qū)域。D處則是介于C與E之間的斷裂過渡區(qū)。

3 結(jié)論

(1)鋁合金管體與鋼接頭可以通過“冷組裝”實現(xiàn)可靠的過盈連接，在拉伸和扭轉(zhuǎn)的過程中鋁合金管體的螺紋部位均未被破壞，達到極限應(yīng)力后在應(yīng)力最集中的螺紋根部產(chǎn)生裂紋，并迅速擴展，最后失穩(wěn)斷裂。

(2)鋁合金管體與鋼接頭之間的過盈量是影響裝配后鋁合金鉆桿連接強度的重要因素。對于本文研究的?50 mm鋁合金管體而言，當過盈量為0.15 mm時，帶鋼接頭的鋁合金鉆桿綜合性能較優(yōu)，可承受較大的抗拉強度極限和抗扭極限，抗拉強度極限為491.66 MPa，極限扭矩為4162 N·m。

(3)7075鋁合金鉆桿斷裂方式為脆性斷裂，拉伸與扭轉(zhuǎn)斷口宏觀上均塑性變形較小、頸縮現(xiàn)象不明顯，微觀上裂紋源區(qū)均以小韌窩為主，斷裂方式為脆性斷裂。

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Mechanical Performance Test and Failure Analysis on Cold Assembled Aluminum Alloy Drill Pipe Thread Pair/

LIUBao-chang1,2,LIChuang1,ZHANGChi1,MAShao-ming1,SUNYong-hui1

(1.Key Laboratory of Geophysical Exploration Equipment, Ministry of Education, College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 2.Key Lab of Drilling and Exploitation Technology in Complex Conditions, Ministry of Land and Resources, Changchun Jilin 130026,China)

Compared with the traditional steel drill pipe, aluminum alloy drill pipe has the advantages of low density, high specific strength, non-magnetic and etc., so it has great advantage in deep and ultra-deep drilling operations. In practice, for aluminum alloy drill pipe, the connecting and dismounting at two ends are realized by the screws on the steel joints, while the fasten connection of aluminum alloy drill pipe and steel joint is realized by interference fit. With the cooling source of liquid nitrogen, ?50mm 7075 aluminum alloy drill pipe and steel joints were connected with interference by “cold assembly”, the magnitude of interference between aluminum alloy drill pipe and steel joints were 0.1, 0.15 and 0.2mm respectively. The tensile and torsion tests were carried out on the assembled aluminum alloy drill pipe (both ends with steel joints). In this paper, the reliability of the connection between aluminum alloy drill pipe and steel joint was evaluated, and the fracture surface of specimen are analyzed macroscopically and microscopically to elaborate the fracture mechanism. The results show that the interference assembly of aluminum alloy drill pipe and steel joint can be realized by “cold assembly”. The aluminum alloy drill pipe with magnitude of interference of 0.15mm has better comprehensive properties, and it can bear larger tensile strength and anti-torsion limits, and the fracture mode is brittle fracture.

aluminum alloy drill pipe; cold assembly; interference fit; fracture mechanism

2017-04-17；

2017-05-15

國家國際科技合作專項“深部油氣鉆探用高性能鉆具系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)合作研究”(編號：2013DFR70490)；吉林省科技廳重點項目“深井油氣鉆探用鋁合金鉆桿關(guān)鍵制造技術(shù)”(編號：20130206023GX)；吉林省自然科學(xué)基金項目(學(xué)科布局項目)“鋁合金鉆桿在鉆井液中的腐蝕行為與腐蝕機理研究”(編號：20170101159JC)

劉寶昌，男，漢族，1975年生，副教授，博士生導(dǎo)師，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，主要從事巖土鉆鑿機具與材料方面的研究工作，吉林省長春市西民主大街938號，liubc@jlu.edu.cn；李闖，男，滿族，1992年生，碩士研究生在讀，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鋁合金鉆桿及金剛石鉆頭方面的研究工作，277109985@qq.com。

P634.4；TE921

A

1672-7428(2017)06-0013-05