高鋼級鉆桿強度塑性試驗研究

舒志強， 歐陽志英， 龔丹梅

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

高鋼級鉆桿強度塑性試驗研究

舒志強， 歐陽志英， 龔丹梅

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

鉆桿強度級別提高，其塑性性能會發(fā)生變化，因此高屈強比成為影響高鋼級鉆桿推廣應用的主要問題。對X95、G105、S135、V150和HL165系列高鋼級鉆桿進行了室溫拉伸試驗，利用真應力-真應變曲線分析了高鋼級鉆桿強度塑性特征參數(shù)的變化規(guī)律及屈強比對鉆桿安全性的影響。試驗結果表明：隨著鋼級提高，鉆桿強度不斷增加的同時，工程屈強比和真實屈強比都增大，但后者比前者約小5.5%～7.0%；不同鋼級鉆桿工程屈強比與其伸長率、沖擊功、塑性失穩(wěn)點應變量、均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度等塑性韌性指標無對應關系；雖然V150、HL165超高強度鉆桿屈強比分別達到0.953和0.941，形變硬化能力略有降低，但仍具有高塑性變形能力、高韌度水平和高斷裂強度。研究認為，不宜將工程屈強比作為衡量高鋼級鉆桿質(zhì)量的一項硬性指標，良好的綜合性能是確保鉆桿安全使用的關鍵。

屈強比；高鋼級；鉆桿；塑性變形；真應力；真應變

在深井、超深井鉆井中，鉆桿長期受到拉、壓、彎、扭、振動和與井壁摩擦碰撞等產(chǎn)生的交變載荷，同時處于高溫高壓鉆井液沖刷與腐蝕的環(huán)境中，因而往往是鉆具中最薄弱的部分。因此，鉆桿的性能直接影響鉆井效率和安全，開發(fā)出適用于特殊井的高性能鉆桿具有重要意義。

一般而言，鉆桿的鋼級提高后，不僅屈服強度提高，鉆桿所用鋼材的其他力學行為也隨之發(fā)生變化。屈強比是材料屈服強度與抗拉強度的比值，用于表征材料在屈服點與拉伸失效點之間的強度儲備和形變能力，一般認為屈強比升高會導致材料形變硬化能力下降，存在一定的安全隱患，高屈強比已成為當前影響高鋼級鉆桿推廣應用的主要問題。在油氣輸送管線鋼的設計中，需要考慮管道服役過程中承受大位移、大應變及地震多發(fā)環(huán)境等復雜情況，若屈強比過高，會導致管道在發(fā)生較大塑性變形時容易產(chǎn)生裂紋而報廢，因此有關管線鋼的規(guī)范中對屈強比有明確規(guī)定，如X70和X80鋼級管線鋼其屈強比小于0.93[1]。但對于鉆桿，大部分失效問題是由腐蝕和低應力疲勞相互作用而導致的鉆桿刺穿或斷裂[2-3]，API 5DP[4]和DS-1標準[5]均只對鉆桿強度、伸長率、沖擊功提出了要求，未提及屈強比，同時也未見有文獻報道屈強比對鉆桿使用安全性的影響。因此，在高鋼級鉆桿技術協(xié)議中，如果限制屈強比，勢必會損失材料強度，導致鉆桿廢品率急劇上升和生產(chǎn)成本大幅增加，也不利于充分發(fā)揮材料的強度潛力。

拉伸試驗是獲取材料力學性能最基本、最常用的方法[6]，在石油鉆桿規(guī)范中，拉伸性能對評價鉆桿的機械性能、應力集中敏感性、設計應用等至關重要。然而，通常從拉伸試驗得到的抗拉強度和屈服強度為工程應力參數(shù)，對材料拉伸過程中的真應力-真應變和塑性變形能力的描述并不準確。

目前使用最廣泛的X95、G105和S135高鋼級鉆桿的設計和生產(chǎn)按照API規(guī)范進行。近幾年，隨著鋼種設計、冶煉軋制、熱處理等工藝和技術的不斷發(fā)展進步，國內(nèi)外開發(fā)出了V150、HL165超高強度鉆桿。為了得到更為準確的高鋼級鉆桿的塑性性能，筆者基于彈塑性力學，對X95、G105、S135、V150、HL165系列高鋼級鉆桿進行了室溫拉伸試驗和低溫沖擊試驗，根據(jù)工程應力-工程應變曲線和真應力-真應變曲線，研究了不同鋼級鉆桿屈強比、真應力真應變、硬化指數(shù)、均勻形變?nèi)萘俊㈧o力韌度、伸長率和沖擊韌性等參數(shù)的變化規(guī)律，分析了屈強比對鉆桿安全性的影響，以期為高鋼級鉆桿的開發(fā)應用提供理論支持。

1 試驗材料和方法

選取某公司批量生產(chǎn)的X95、G105、S135、V150和HL165等5種不同鋼級鉆桿作為試樣，進行拉伸試驗和沖擊試驗。每組試驗用4支平行試樣，拉伸試樣如圖1所示，沖擊試樣如圖2所示。拉伸試驗按照標準《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228—2010)的要求在MTS-809試驗機上進行，試驗過程中通過應力傳感器和引伸計記錄應力、應變數(shù)據(jù)，獲得不同鋼級鉆桿材料拉伸均勻塑性變形階段及斷裂過程中的強度塑性特征參數(shù)；沖擊試驗按照標準《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2007)的要求在JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，試驗溫度-20 ℃，獲得不同鋼級鉆桿材料的低溫沖擊功值；最后利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件對不同鋼級鉆桿的材料強度、塑性和韌性參數(shù)值進行對比分析。

圖1 拉伸試樣示意Fig.1 Schematic diagram of the tensile samples

圖2 沖擊試樣示意Fig.2 Schematic diagram of the impact samples

2 試驗結果與分析

2.1真應力-真應變行為

應力-應變曲線是以試樣原始橫截面積和原始標距長度來計算的工程應力-工程應變曲線，在實際拉伸變形過程中，隨著試驗加載的進行，試樣標距段長度不斷伸長，受載橫截面積逐漸減小，即試樣標距段的橫截面積和長度是動態(tài)變化的，只有以瞬時橫截面積和瞬時長度為依據(jù)得到的真應力-真應變曲線，才可以反映材料在拉伸變形過程中的真實情況[7]。試驗得到的V150鉆桿的拉伸應力-應變曲線如圖3所示(圖3中，eb為塑性失穩(wěn)點應變；σp為工程屈服強度，MPa；σb為工程抗拉強度，MPa；Sb為真實抗拉強度，MPa；Sk為真實斷裂強度，MPa)。

圖3 V150鉆桿拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curve of V150 drill pipes

從圖3可以看出，隨著拉伸應變量的增加，真應力-真應變曲線完全避開了工程應力-工程應變曲線在形變強化和塑性失穩(wěn)后應力逐漸降低的假象，曲線在試樣發(fā)生縮頸之后繼續(xù)上揚增大，也反映了V150鉆桿材料在非均勻塑性變形階段不斷強化的事實(其他鋼級鉆桿的拉伸曲線與之類似)。

試驗得到的不同鋼級鉆桿均勻塑性變形階段的真應力-真應變曲線如圖4所示。

圖4 不同鋼級鉆桿均勻塑性變形段的真應力-真應變曲線Fig.4 True stress-true strain curve of different grades of steel drill pipes at uniform plastic deformation section

從圖4可以看出，隨著鉆桿鋼級從X95升高至HL165，鉆桿材料的真實應力水平明顯增加，塑性失穩(wěn)點應變量eb略有減小，其中V150、HL165與S135的eb值大小非常接近，即與S135鉆桿相比較，V150和HL165鉆桿的真實屈服強度分別提高12.5%和21.0%，但在拉伸至塑性失穩(wěn)時的應變量并未減小，具有與S135鉆桿一樣的均勻塑性變形能力。

試驗得到的不同鋼級鉆桿強度的變化趨勢如圖5所示(圖5中，Sp為真實屈服強度，MPa)。

圖5 不同鋼級鉆桿的強度Fig.5 Strength curve of different steel grades of drill pipes

從圖5可以看出，工程屈服強度與真實屈服強度非常接近，這主要是因為在材料發(fā)生屈服時所產(chǎn)生的應變量非常小，承載橫截面積變化不明顯；而在拉伸至塑性失穩(wěn)時，不同鋼級鉆桿的真實抗拉強度明顯大于工程抗拉強度，前者較后者增加約60～80MPa；在最終斷裂時，由于試樣局部發(fā)生嚴重縮頸，瞬時承載橫截面減至最小，對應的斷裂強度達到最大，不同鋼級鉆桿的真實斷裂強度約為工程抗拉強度的1.65～1.87倍。

2.2不同鋼級鉆桿的屈強比

試驗得到的不同鋼級鉆桿的屈強比如圖6所示。圖6中，工程屈強比為工程屈服強度與工程抗拉強度之比(即σp/σb)，真實屈強比為真實屈服強度與真實抗拉強度之比(即Sp/Sb)，理論屈強比為各鋼級鉆桿技術要求的最小屈服強度與最小抗拉強度之比(即Ys/Ts)。

圖6 不同鋼級鉆桿的屈強比Fig.6 Yield ratio curve of different steel grades of drill pipes

從圖6可以看出，不同鋼級鉆桿的理論屈強比均超過0.90，且隨著鋼級的升高逐漸增大，HL165鉆桿理論屈強比最高為0.943；工程屈強比也隨鋼級升高而增大，但在S135及以下鋼級時低于理論屈強比，只有V150鉆桿增大較突出(工程屈強比達到0.953)，HL165鉆桿工程屈強比為0.941，略小于理論屈強比；不同鋼級鉆桿的真實屈強比變化趨勢與工程屈強比相似，但比后者小5.5%～7.0%，其中V150鉆桿的真實屈強比最大，但也小于0.90，間接說明V150鉆桿材料在屈服后仍有較大的塑性變形能力，采用真實屈強比表征各鋼級鉆桿塑性變形能力更為客觀。

試驗得到的不同鋼級鉆桿的工程屈強比與伸長率如圖7所示(圖7中，A為伸長率)。

圖7 不同鋼級鉆桿的工程屈強比與伸長率Fig.7 Engineering yield ratio and elongation curve of different steel grades of drill pipes

從圖7可以看出，隨著鉆桿鋼級的升高，伸長率先下降(S135鉆桿最低，為22.5%，一般要求≥13.0%即可，因此也滿足要求)，然后又略有升高，與工程屈強比的變化無相關性。

試驗得到的不同鋼級鉆桿的工程屈強比與低溫(-20℃)時的沖擊功如圖8所示(圖8中，Akv為低溫沖擊功，J)。

從圖8可以看出，低溫沖擊功隨著鉆桿鋼級的升高略有減小，但仍處于較高的韌性水平，尤其是V150和HL165的低溫沖擊功為95J(一般要求≥64J)。因此，可認為不同鋼級鉆桿的塑性指標伸長率和韌性指標沖擊功值與工程屈強比沒有相關性，并未因工程屈強比增大而顯著減小，同時也表明各鋼級鉆桿(尤其是V150、HL165超高強度鉆桿)在強度大幅增加的同時，仍保持著高塑性、高韌性。

圖8 不同鋼級鉆桿的工程屈強比與低溫沖擊功Fig.8 Engineering yield ratio and low-temperature impact energy curve of different grades of steel drill pipes

2.3屈強比與形變硬化

試樣發(fā)生屈服以后進入塑性變形，而塑性變形需要外力不斷增大才能進行，這種“隨著塑性變形量增大，形變應力不斷提高”的現(xiàn)象稱為形變硬化，是由材料內(nèi)部位錯增殖、運動受阻所致。硬化指數(shù)表征了材料形變硬化過程中加載應力對應變量增加的敏感性，硬化指數(shù)越大，阻止塑性變形繼續(xù)發(fā)展的能力越強，安全性越高[8]。試驗得到的不同鋼級鉆桿的工程屈強比與硬化指數(shù)如圖9所示(圖9中，n為硬化指數(shù))。

從圖9可以看出，隨著鋼級提高，硬化指數(shù)呈逐漸減小的趨勢，鉆桿材料的形變硬化能力逐漸降低，但與工程屈強比變化無明顯對應關系。

2.4屈強比與靜力韌度、均勻形變?nèi)萘啃枰饬ψ龅墓?，由真應?真應變曲線積分得到的面積即為靜力韌度。其中，均勻塑性變形階段為材料抵抗微裂紋形核階段，裂紋產(chǎn)生之前單位體積吸收的能量稱為均勻形變?nèi)萘?，屬于靜力韌度的一部分，均勻形變?nèi)萘勘碚鞑牧蠌钠鹗妓苄宰冃蔚剿苄允Х€(wěn)過程中傳播載荷、重新分布高應力的能力，以及局部損傷處抵抗應力應變集中的程度[9-13]。

靜力韌度是指拉伸試驗中試樣單位體積材料從起始至斷裂過程中吸收的總能量，表征材料抵抗裂紋形成和擴展的能力，客觀地反映了材料發(fā)生破壞

圖9 不同鋼級鉆桿的工程屈強比與硬化指數(shù)Fig.9 Engineering yield ratio and strain hardening exponent curve of different grades of steel drill pipes

試驗得到的不同鋼級鉆桿的工程屈強比與靜力韌度、工程屈強比與均勻形變?nèi)萘康膶Ρ惹闆r分別如圖10和圖11所示(圖10中，Ut為靜力韌度，MJ/m3;圖11中，Up為均勻形變?nèi)萘浚琈J/m3)。

從圖10、圖11可以看出，隨著鉆桿鋼級升高，靜力韌度和均勻形變?nèi)萘恐饾u增大，并未因屈強比升高而降低。其中，X95、G105鉆桿的靜力韌度大小相近(約為265MJ/m3)，S135鉆桿的靜力韌度為300MJ/m3，當鋼級達到HL165時，鉆桿的靜力韌度為375MJ/m3，較S135鉆桿提高約25.0%。不同鋼級鉆桿的均勻形變?nèi)萘孔兓厔菖c靜力韌度相似，約占靜力韌度的21.5%，HL165鉆桿最高，表現(xiàn)出良好的韌度水平；G105鉆桿的均勻形變?nèi)萘孔钚?，?0MJ/m3，這主要是因為X95鉆桿與G105鉆桿的材料均為26CrMo合金鋼，生產(chǎn)中G105鉆桿熱處理回火溫度低于X95，即通過犧牲塑性和韌性來提高其強度。靜力韌度和均勻形變?nèi)萘孔兓€表明，隨著鉆桿鋼級的提高，強度大幅增加，但是塑性并未明顯降低，仍保持著較高的韌度水平，尤其是V150和HL165鉆桿，在拉伸變形過程中需要消耗的能量更高，表現(xiàn)出良好的抵抗裂紋形核和擴展的能力。

圖10 不同鋼級鉆桿的工程屈強比與靜力韌度Fig.10 Engineering yield ratio and static toughness curve of different grades of steel drill pipes

圖11 不同鋼級鉆桿的工程屈強比與均勻形變?nèi)萘縁ig.11 Engineering yield ratio and homogeneous deformation capacity curve of different grades of steel drill pipes

3 高屈強比對鉆桿安全性的影響

鋼材中合金元素的強化機制對其屈強比有較大影響，如C、Mn和Si等元素固溶強化可使屈強比降低，而Cr、Mo、Ni和V等元素可提高鋼的熱處理穩(wěn)定性，起到細化晶粒和析出細小碳化物及彌散分布的效果，在保證鋼材塑性、韌性不降低的同時可大幅提高強度，但是這種細晶強化和沉淀強化機制使鋼材屈服強度的增大幅度明顯大于抗拉強度的增大幅度，易導致屈強比增大[14]。試驗中，鉆桿強度級別越高，鋼中的微合金元素種類和數(shù)量越多(見圖12)，V150、HL165超高強度鋼級鉆桿與X95、G105和S135鋼級鉆桿相比，降低了C、Mn的含量，增加了Cr、Mo、Ni和V等元素，主要依靠這些微合金元素的細晶強化和沉淀強化來保證強韌性。由此可見，高鋼級鉆桿屈強比升高是不可避免的。

圖12 不同鋼級鉆桿主要合金成分比例Fig.12 The main alloy composition content curve of different grades of steel drill pipes

一般認為，隨著屈強比增大，屈服強度和抗拉強度的差值減小，當外加應力從屈服強度達到材料的抗拉強度時，不足以發(fā)生較大的均勻塑性變形，從而降低材料的抗過載能力及抗局部應力應變集中能力。而試驗結果表明，不同鋼級鉆桿的屈強比與其伸長率、沖擊功、塑性失穩(wěn)點應變量、均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度等均沒有直接的對應關系，且不同鋼級鉆桿的真實屈強比明顯小于工程屈強比。圖13所示為A，B和C3種高強度合金鋼的應力-應變曲線。

從圖13可以看出，3種鋼的工程屈強比相同，但應力-應變特征和塑性變形能力完全不同，形變硬化指數(shù)nA>nB>nC，但是C的塑性失穩(wěn)點應變量是最大的，其真實抗拉強度、真實斷裂強度、均勻形變?nèi)萘考办o力韌度等指標必然最高，安全性最好[15-16]。因此，可認為隨著鉆桿鋼級的升高，雖然硬化指數(shù)逐漸降低，屈強比略有增加，但并不影響鉆桿材料塑性變形過程中吸收能量的能力。此外，在拉伸試驗中，靜力韌度從塑性失穩(wěn)點可劃分為抗拉強度之前的均勻塑性變形階段和之后裂紋擴展過程的非均勻塑性變形階段，其中抵抗裂紋形成過程消耗能量比例(均勻形變?nèi)萘?只占靜力韌度的21.5%，相對而言近78.5%的能量消耗發(fā)生在裂紋擴展過程中。而屈強比和硬化指數(shù)是間接衡量均勻塑性變性的參數(shù)，因此從整個拉伸過程來看，屈強比的增加和形變硬化的降低對試樣斷裂模式影響較小。

圖13 A，B和C等3種鋼材的應力-應變曲線Fig.13 Stress-strain curve of three kinds of steel materials(A、B、C)

綜合以上分析可知，高鋼級鉆桿雖然屈強比較高，硬化指數(shù)減小，但具有高塑性、高韌度、高斷裂強度，并不影響鉆桿的安全使用，也不宜將工程屈強比作為衡量高鋼級鉆桿質(zhì)量的一個硬性指標。

4 結 論

1) 鋼級提高，鉆桿強度水平不斷增加的同時，屈強比逐漸增大，但拉伸均勻形變?nèi)萘亢挽o力韌度也顯著增大，伸長率、塑性失穩(wěn)點應變量和低溫沖擊功并無減小趨勢，說明高鋼級鉆桿屈強比的增大并未影響到鉆桿的安全使用性能。

2) 不同鋼級鉆桿的真實屈強比與工程屈強比相比約減小5.5%～7.0%，且明顯小于鉆桿的理論屈強比，因此采用真實屈強比表征各鋼級鉆桿屈服后的塑性變形能力更為客觀。

3) 從發(fā)揮鉆桿材料強度潛力和保障鉆井高效安全的角度考慮，不建議將工程屈強比作為衡量高鋼級鉆桿質(zhì)量的一項硬性指標，良好的綜合性能是確保鉆桿安全使用的關鍵。

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[編輯 令文學]

StudyonStrengthandPlasticityofHighSteelGradeDrillPipe

SHUZhiqiang，OUYANGZhiying，GONGDanmei

(ShanghaiHilongPetroleumTubularGoodsResearchInstitute,Shanghai,200949,China)

Increasing drill pipe strength grade results in a change in plastic property so a high yield ratio has become the main problem in high-strength drill pipe popularization and application.Tensile tests at room temperature were conducted on X95,G105,S135,V150 and HL165 series of high-strength drill pipes.In addition,the influence of the strength and plastic characteristic parameter variation rules and yield ratio on the safety of drill pipes were analyzed by means of a true tress-true strain curve.Test results showed that with the promotion of steel grade and continual increase of drill pipe strength,engineering yield-ratio and true yield-ratio both increased,but the latter was 5.5%-7.0% less than the former.The engineering yield-ratio of a different grade of steel drill pipe had no corresponding relationship with its elongation,impact energy,strain capacity at plastic instability point,uniform deformation capacity,static toughness and other ductility indices.Although the yield ratio of V150 and HL165 series of ultra high strength drill pipes reached 0.953 and 0.941 respectively with slight decrease of deformation hardening capability,they still possessed a high plastic deformation capacity,high toughness level and high breaking strength.The study suggested that it was inappropriate to take engineering yield ratio as rigid index to measure high grade drill pipe quality and acomprehensive list of properties is the key to ensuring the safe use of drill pipes.

yield ratio;high steel grade;drill pipe;plastic deformation;true stress;true strain

TE921+.2

A

1001-0890(2017)05-0053-07

10.11911/syztjs.201705010

2017-03-27；改回日期2017-09-01。

舒志強(1986—)，男，陜西周至人，2010年畢業(yè)于西安理工大學測控技術與儀器專業(yè)，工程師，主要從事新型石油鉆具開發(fā)及金屬材料力學性能研究工作。E-mail：szq861017@163.com。