方鉆桿用鋼的綜合機(jī)械性能研究

牛戰(zhàn)波

方鉆桿用鋼的綜合機(jī)械性能研究

牛戰(zhàn)波

（河南神龍石油鉆具有限公司，河南 濟(jì)源 459000）

對(duì)方鉆桿用鋼進(jìn)行了比較全面的分析，選擇合適的鋼種，淬透性強(qiáng)，高強(qiáng)度和高韌性得到了充分的結(jié)合，提高了方鉆桿的綜合機(jī)械性能。用方鉆桿在復(fù)雜的條件下進(jìn)行石油、天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣勘探工作，鋼材的材質(zhì)關(guān)乎方鉆桿的使用壽命，因此，需要對(duì)方鉆桿用鋼的機(jī)械性能進(jìn)行綜合性的研究，有效提高方鉆桿整體的可靠性。

方鉆桿；綜合機(jī)械性能；淬透性；可靠性

在石油、天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣鉆探工作開(kāi)展的過(guò)程當(dāng)中，方鉆桿位于旋轉(zhuǎn)鉆柱的最上端，起到提升鉆具的作用。在工作過(guò)程中，方鉆桿不僅要承受扭轉(zhuǎn)力矩，還要承受整體的拉伸和相應(yīng)的疲勞載荷，因此，為了提升鉆井效率，需要提升方鉆桿用鋼的綜合性機(jī)械性能，通過(guò)對(duì)方鉆桿用鋼進(jìn)行研究與分析，選擇出機(jī)械性能較好且符合工作現(xiàn)有技術(shù)的方鉆桿用鋼。多數(shù)企業(yè)采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼40CrMnMo（等同AISI 4140H）、45CrMnMo（等同AISI 4145H）制造方鉆桿。

1 方鉆桿簡(jiǎn)介

方鉆桿處于鉆柱的最上端，有四方和六方兩種類型，上接頭、管體、下接頭三個(gè)部分共同組成了方鉆桿。管體的組成部分分為四方和六方兩種類型結(jié)構(gòu)，在實(shí)際鉆井工作當(dāng)中，大多數(shù)應(yīng)用的是四方結(jié)構(gòu)，上接頭為左旋母螺紋，和水龍頭進(jìn)行連接，在旋轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，左旋母螺紋防止倒扣，下接頭是右旋公螺紋，直接和鉆桿進(jìn)行連接。在施工整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，方鉆桿的上端要始終位于轉(zhuǎn)盤面的上部分，而方鉆桿的下部則位于轉(zhuǎn)盤面以下。

2 方鉆桿旋塞閥研究分析

方鉆桿旋塞閥分為上部方鉆桿旋塞閥和下部方鉆桿旋塞閥，作用都是關(guān)閉、封住鉆柱內(nèi)的壓力，是方鉆桿的關(guān)鍵配件。

2.1 沖蝕磨損

在發(fā)生井噴的過(guò)程當(dāng)中，鉆桿內(nèi)部的整體流速會(huì)有大幅度的增加，對(duì)于整個(gè)設(shè)備的磨損率也會(huì)更加高，在這種情況下就會(huì)引起整個(gè)表面積的損傷，以至于出現(xiàn)裂紋，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置斷裂。泥漿在對(duì)整個(gè)閥體進(jìn)行沖擊的過(guò)程當(dāng)中，不同的沖擊角度會(huì)造成不同的劃傷痕跡。

泥漿顆粒成分及大小也會(huì)影響沖蝕磨損。沖蝕磨損的整體過(guò)程當(dāng)中，不同的磨損會(huì)具有一定的區(qū)域，硬磨料磨損區(qū)域以及整體的磨損率都會(huì)根據(jù)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的整體情況發(fā)生一定的變化，泥漿固液雙相流的沖蝕磨損程度也會(huì)因此變化。

2.2 腐蝕磨損

CO腐蝕。在腐蝕的所有情況當(dāng)中，CO腐蝕有比較明顯的一個(gè)特征，即局部會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)一點(diǎn)的腐蝕，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸就會(huì)受到影響，最后旋塞閥本體以及閥芯上也會(huì)出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。

H2S腐蝕。該腐蝕主要是因?yàn)槭艿搅肆蛩猁}層的入侵，硫酸鹽會(huì)對(duì)地層的裂縫造成影響，使得一些比較難溶解的硫化物進(jìn)入到機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部。當(dāng)溫度升高時(shí)，化學(xué)反應(yīng)的速度會(huì)逐漸加快，從而也會(huì)加快腐蝕的速度，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中氧的溶解度也會(huì)降低，在一定程度上又會(huì)降低腐蝕速度。

H2S/CO共同腐蝕的影響。如果機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境存在H2S/CO，這兩種因素共同影響下，腐蝕面積會(huì)增長(zhǎng)得比較快，兩者會(huì)加劇腐蝕反應(yīng)，使得整體運(yùn)行受到較大的影響，不利于方鉆桿用鋼等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行。

3 方鉆桿用鋼分析應(yīng)注意的事項(xiàng)

傳動(dòng)角不能進(jìn)行焊接。方鉆桿的傳動(dòng)角不宜應(yīng)用焊接的方法進(jìn)行修復(fù)，如果在合金鋼上進(jìn)行焊接工作，勢(shì)必會(huì)影響到材料整體性能的熱影響區(qū)。當(dāng)方鉆桿處于彎曲狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)的整體部分當(dāng)中，方鉆桿傳動(dòng)角承受著最大應(yīng)力，在這種情況下，熱影響區(qū)產(chǎn)生疲勞裂縫的概率是非常大的。除此之外，對(duì)修復(fù)焊條的拉伸強(qiáng)度要求比較多，硬度低的材料磨損速度要比硬度高的材料快，在修復(fù)的過(guò)程當(dāng)中，不僅要考慮到疲勞裂縫的產(chǎn)生概率，還要對(duì)修復(fù)的整體費(fèi)用進(jìn)行相應(yīng)的討論。

設(shè)置保護(hù)短節(jié)。在多次上鉆桿和卸鉆桿的過(guò)程當(dāng)中，為了使方鉆桿下接頭的螺紋不會(huì)受到嚴(yán)重的磨損，需要配備保護(hù)短節(jié)。

如果沒(méi)有保護(hù)管就不能直接運(yùn)送方鉆桿，拖車在運(yùn)送方鉆桿的過(guò)程當(dāng)中，保護(hù)管會(huì)對(duì)方鉆桿起到明顯的保護(hù)作用，也會(huì)增加方鉆桿的支撐能力。

對(duì)傳動(dòng)表面進(jìn)行潤(rùn)滑。通過(guò)對(duì)方鉆桿傳動(dòng)表面進(jìn)行潤(rùn)滑，可以有效降低方鉆桿通過(guò)減低滾子時(shí)的摩擦力和粘接力，保障方鉆桿可以通過(guò)滾子補(bǔ)心。

禁止使用扭曲的方鉆桿。如果方鉆桿出現(xiàn)了扭結(jié)以及不同程度的彎曲，在投入到使用的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)加快方鉆桿和傳動(dòng)滾子的磨損，提高方鉆桿和鉆桿疲勞的概率。

定期對(duì)方鉆桿進(jìn)行檢查。定期對(duì)方鉆桿磨損外形整體的變化進(jìn)行有效的檢查，檢查螺紋和傳動(dòng)平面與加厚端之間倒角傳動(dòng)角中的疲勞損傷，通過(guò)定期的檢查可以延長(zhǎng)方鉆桿的使用壽命。

4 合金元素對(duì)淬透性及綜合機(jī)械性能的影響

合金元素對(duì)于中碳低合金鋼的影響主要表現(xiàn)在固溶強(qiáng)化、增加淬透性、提高回火整體的穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)械的性能起到了改善的作用。在固溶強(qiáng)化作用中，碳能夠起到有效的作用，合金元素在其中只起次要作用，在各種試驗(yàn)鋼的過(guò)程當(dāng)中，含碳量越高，固溶強(qiáng)化整體的效果就越好。C、Cr、Mn、Mo含量越高，淬透性的效果越好，在采取熱處理工藝淬火之后，在較大的截面當(dāng)中會(huì)獲得馬氏體組織，經(jīng)過(guò)高溫回火之后，就可以得到比較好的綜合機(jī)械性能。鋼會(huì)受到合金化以及淬透性的限制，在經(jīng)過(guò)正常的工藝淬火之后，在大截面的試件中心組織當(dāng)中會(huì)存在著比較多的非馬氏體分解產(chǎn)物，在這種情況下，調(diào)質(zhì)處理要達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性相結(jié)合的綜合機(jī)械性能就比較困難。

為了改善方鉆桿用鋼的綜合機(jī)械性能，需要對(duì)材料中所具有的Mn含量進(jìn)行分析，Mn的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，和其他的元素相比，Mn在鋼中可以起到高強(qiáng)度和高韌性的雙重作用。Mn通過(guò)細(xì)化晶粒之后，可以對(duì)晶體之間的碳化物的析出和分布進(jìn)行有效的調(diào)整，在一定程度上可以提高材質(zhì)的整體性能。在鋼中增加Mn可以有效提高材質(zhì)的整體韌性，降低缺口的整體敏感度，缺口的尖端處于一定的約束條件時(shí)，可以對(duì)其應(yīng)力集中進(jìn)行有效的改善。隨著整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和塑韌性得到了有效的提升，相關(guān)構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)性能也能夠得到有效的提升，能夠改善方鉆桿受力復(fù)雜、應(yīng)力集中的工件問(wèn)題，對(duì)于方鉆桿用鋼綜合機(jī)械性能整體的提升具有積極的作用。

5 回火溫度及金相組織對(duì)性能的影響

方鉆桿用鋼的綜合的機(jī)械性能不僅會(huì)受到鋼種的淬透性影響，還和熱處理的工藝參數(shù)有著密切的關(guān)系。不同的工藝參數(shù)，尤其是回火溫度，對(duì)于鋼的組織轉(zhuǎn)變和整體的鋼性能都具有很大的影響。當(dāng)回火的溫度處于比較低的范圍時(shí)，材料整體的強(qiáng)度和硬度指標(biāo)都是比較高的，但是韌性比較低；當(dāng)回火的溫度比較高時(shí)，整體構(gòu)件的韌性也比較高，但是整體的強(qiáng)度水平比較低。只有選擇一個(gè)比較適合的回火溫度范圍（600～630 ℃），材料的強(qiáng)度、韌性、塑性才能夠得到有效的提升。通過(guò)金相分析，可以發(fā)現(xiàn)試件的組織基本是單一的回火索氏體，而鋼的心部組織除了有回火索氏體，還會(huì)有少量的上貝氏體。方鉆桿用鋼的綜合機(jī)械性能有所降低，是因?yàn)榉邱R氏體分解產(chǎn)物的存在，合金結(jié)構(gòu)鋼淬火之后回火，隨著回火的溫度不斷地提高，組織內(nèi)部會(huì)逐漸地進(jìn)行碳化物沉淀，結(jié)構(gòu)當(dāng)中殘余的奧氏體會(huì)分解，馬氏體結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)行恢復(fù)和再結(jié)晶。

6 棒材和管材的無(wú)損檢測(cè)

所有方鉆桿用鋼的棒材和管材都應(yīng)該進(jìn)行表面裂紋和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，如果外表面已加工，不要求進(jìn)行表面缺陷的檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在所有熱處理完成后進(jìn)行。制造商應(yīng)對(duì)無(wú)損檢測(cè)人員資格認(rèn)證的程序管理負(fù)責(zé)，無(wú)損檢測(cè)應(yīng)該由具備二級(jí)或三級(jí)證書(shū)的檢測(cè)人員實(shí)施。每根標(biāo)準(zhǔn)鋼的棒材和管材都應(yīng)該進(jìn)行外表面缺陷的檢測(cè)，優(yōu)先使用超聲檢測(cè)或者是磁粉檢測(cè)。每根管材的內(nèi)表面應(yīng)采用超聲波斜束檢測(cè)，該要求僅適用于熱處理前為管狀的材料，熱處理時(shí)為實(shí)心的棒材和熱處理后鉆孔的材料不作為管材檢測(cè)。如果采用超聲檢測(cè)外表面或內(nèi)表面，每根棒材和管材應(yīng)進(jìn)行全長(zhǎng)度、360°搭接掃描檢測(cè)表面缺陷；如果采用磁粉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鋼外表面，每根棒材和管材均應(yīng)采用干磁粉和濕磁粉的方法進(jìn)行全長(zhǎng)度縱向缺陷的檢測(cè)。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)方鉆桿用鋼進(jìn)行綜合性的機(jī)械性能研究，能夠進(jìn)一步對(duì)方鉆桿用鋼進(jìn)行比較全面的了解，有效提高方鉆桿整體的可靠性。通過(guò)對(duì)相關(guān)的因素進(jìn)行合理的控制，能夠有效延長(zhǎng)方鉆桿的使用壽命。

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2095－6835（2020）10－0092－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.039

〔編輯：王霞〕