鉆桿焊縫側(cè)彎試驗(yàn)樣斷裂原因分析

余世杰，徐昌學(xué)，陳 猛，歐陽志英

（上海海隆石油管材研究所，上海 200949）

鉆桿是油氣開采的重要工具，占整個(gè)鉆柱的80%以上，伴隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，石油天然氣開采向深地層、含硫地層發(fā)展，鉆桿的井下服役環(huán)境也愈加苛刻，鉆桿失效往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，鉆桿服役過程中的安全可靠性也變得尤為重要［1-2］。鉆桿由鉆桿管體及接頭摩擦焊接而成，在摩擦焊后進(jìn)行焊縫熱處理。對于鉆桿生產(chǎn)而言，應(yīng)保證鉆桿焊縫區(qū)域的性能穩(wěn)定性，而鉆桿焊縫的灰斑缺陷是影響鉆桿焊縫性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素［3-5］。目前，對于鉆桿摩擦焊縫灰斑的研究較少，這里針對鉆桿生產(chǎn)中的一起灰斑缺陷試樣進(jìn)行了微觀形貌及組織試驗(yàn)研究。

某公司在對一根鉆桿焊縫做側(cè)彎檢測試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該鉆桿其中一支試驗(yàn)樣在進(jìn)行側(cè)彎時(shí)沿著焊縫處發(fā)生斷裂；另外一支試驗(yàn)樣壓彎后，在焊縫的中間位置出現(xiàn)小裂紋同時(shí)，該鉆桿焊縫的韌性也低于正常值。3個(gè)焊縫沖擊試樣的沖擊功分別為52，42，36 J。鉆桿焊縫側(cè)彎試驗(yàn)過程如圖1所示，側(cè)彎試驗(yàn)后斷裂及出現(xiàn)裂紋的樣品形貌如圖2所示。

圖1 鉆桿焊縫側(cè)彎試驗(yàn)過程

圖2 側(cè)彎試驗(yàn)后斷裂及出現(xiàn)裂紋樣品形貌

1 側(cè)彎斷口形貌觀察分析

1.1 宏觀形貌觀察

圖2（a）所示側(cè)彎試驗(yàn)后樣品斷口宏觀形貌如圖3所示，斷口上存在一個(gè)比較平的斷口形貌區(qū)域，記為區(qū)域①；在靠近外壁的區(qū)域存在多條溝狀的形貌，記為區(qū)域②；存在撕裂棱較明顯的區(qū)域，記為區(qū)域③。區(qū)域①、②為斷裂異常區(qū)域，區(qū)域③為斷裂過程中正常的撕裂區(qū)域，這里重點(diǎn)對區(qū)域①、②進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜分析（EDS）。

圖3 側(cè)彎試驗(yàn)后樣品斷口宏觀形貌

1.2 平臺(tái)區(qū)域的SEM顯微分析和EDS能譜分析

在區(qū)域①的位置，斷口較平整，與周圍有明顯的差異，SEM形貌如圖4（a）所示；放大后可以觀察到少量平淺的塑性韌窩，存在一定量的撕裂臺(tái)階，并且還存在一些黑色的塊狀物質(zhì)，如圖4（b）所示；在撕裂臺(tái)階上存在細(xì)小韌窩狀形貌，韌窩呈交迭分布，無明顯的塑性變形，如圖4（c）所示。

圖4 平臺(tái)區(qū)域的SEM形貌

對圖4（b）黑色的塊狀物質(zhì)進(jìn)行EDS能譜分析，分析結(jié)果如圖5所示，EDS能譜分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，Al、Ca、O三種元素的含量比較多，分別為17.61%、9.47%、36.59%。

表1 鉆桿試樣譜圖1能譜分析出的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖5 平臺(tái)區(qū)域黑色的塊狀物質(zhì)形貌和能譜分析結(jié)果

1.3 條形溝狀區(qū)域的SEM顯微分析和EDS能譜分析

在圖3區(qū)域②位置的條形溝狀形貌如圖6（a）所示；靠近溝底的平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)比較平整的斷口形貌，將其放大進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)斷口呈細(xì)小韌窩狀形貌，并且有一些較大的塊狀物質(zhì)存在，如圖6（b）所示；條形溝底部斷口較平整，有許多顆粒狀的物質(zhì)存在，如圖6（c）所示；對局部區(qū)域繼續(xù)放大，可以觀察到許多細(xì)小的韌窩存在，韌窩交迭分布，并且無明顯的塑性變形，并且在韌窩內(nèi)存在顆粒狀或者長條狀黑色物質(zhì)，如圖6（d）所示。

圖6 條形溝狀區(qū)域的SEM微觀形貌

對圖6（b）的塊狀物質(zhì)進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果如圖7所示，見表2。結(jié)果表明，Al、Ca、O含量比較多，分別為27.39%、16.52%、49.43%。對溝底顆粒狀的物質(zhì)同樣進(jìn)行EDS能譜分析，分析結(jié)果亦顯示，Al、Ca、O三種元素含量比較多。在條形溝底存在較多的氧化物夾雜Al2O3和CaO。

圖7 條形溝底附近的平臺(tái)形貌和能譜分析

表2 鉆桿試樣譜圖2能譜分析化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2 焊縫沖擊斷口的微觀形貌分析

該焊縫沖擊斷口較為平整，試樣沖擊斷面為混合斷面，在斷面上存在較多與側(cè)彎試樣斷口相似的發(fā)散狀溝渠，其整體宏觀形貌如圖8所示。在沖擊斷面靠近缺口部分存在一處平坦區(qū)域，其放大后的微觀形貌如圖9所示。在區(qū)域內(nèi)大部分為解離及準(zhǔn)解離的斷裂形貌，為脆性斷面形貌。在斷口中部及裂紋發(fā)散狀溝渠區(qū)域，也分散地存在一些小平臺(tái)，該平臺(tái)區(qū)域上形貌和側(cè)彎斷口的平臺(tái)區(qū)域較為相似，分布有大量韌窩，韌窩平且淺，部分韌窩內(nèi)存在顆粒狀?yuàn)A雜物，韌窩之間分布有扁平的氧化夾雜物，如圖10（a）所示；對發(fā)散狀溝渠區(qū)域進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)在大部分溝渠內(nèi)部分布有條狀?yuàn)A雜物，如圖10（b）所示。經(jīng)EDS能譜分析，條狀?yuàn)A雜物大部分為硫化物，能譜分析結(jié)果表明該夾雜物為S、Mn、Al等硅酸鹽夾雜物，如圖11所示和見表3。

表3 鉆桿試樣譜圖3條形溝放大后的能譜分析出的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖8 沖擊斷口整體宏觀形貌

圖9 沖擊斷面靠近缺口的準(zhǔn)解理形貌

圖10 沖擊斷口條形溝區(qū)域微觀形貌

圖11 條形溝放大后譜圖3的能譜分析

3 金相組織分析

在焊縫處取金相試樣，經(jīng)過觀察分析，焊縫的金相組織較為正常，靠近焊縫處，因?yàn)槔鋮s速度不夠，存在少量鐵素體和貝氏體，但是在局部區(qū)域存在尺寸較大的夾雜物，該夾雜物距離焊縫約2 mm，呈縱向分布，靠近焊縫處的夾雜物形貌如圖12所示。對該夾雜物進(jìn)行EDS能譜分析，分析結(jié)果如圖13所示及見表4。結(jié)果表明該夾雜物主要含有Al、Ca、O三種異常元素，含量分別為23.36%、18.46%、42.05%。

圖12 靠近焊縫處的夾雜物形貌

圖13 靠近焊縫處的夾雜物和能譜分析結(jié)果

表4 鉆桿試樣譜圖4能譜分析出的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

4 綜合分析

通過上述斷口形貌和EDS能譜分析，結(jié)合以前的灰斑試驗(yàn)，可以得知在斷口平臺(tái)區(qū)域和條形溝底部區(qū)域的斷口形貌為灰斑形貌，灰斑對焊縫的沖擊及壓彎性能影響比較大。

灰斑是鉆桿摩擦焊接頭接合面上的主要缺陷之一，很多研究資料證明灰斑是夾在焊縫中間的一層氧化膜，是焊縫材料在高溫高壓下被氧化的產(chǎn)物。無論是熱態(tài)還是室溫條件下，灰斑與兩側(cè)母材的結(jié)合力都很差，阻礙焊接面金屬的真正接觸，不能形成牢固的焊接接頭［6-15］。

焊接時(shí)的振動(dòng)是焊縫里產(chǎn)生灰斑的主要原因之一。若接頭和桿體相對旋轉(zhuǎn)摩擦?xí)r存在振動(dòng)，焊接面勢必會(huì)透進(jìn)空氣，由于該區(qū)高溫高壓的特點(diǎn)，特別有利于金屬氧化。如果臨近頂鍛時(shí)振動(dòng)仍在繼續(xù)，幾乎可以使整個(gè)焊接面都被氧化。氧化了的金屬若不能及時(shí)地以飛邊形式被擠出，留在焊接面內(nèi)部，被高壓和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)碾碎，最終以氧化膜形式夾在焊縫中間。由于焊接開始階段都存在振動(dòng)，加上焊接面上原有的污染物，焊接初期焊接面被氧化不可避免。因此焊接工藝參數(shù)在保證原子擴(kuò)散和再結(jié)晶基礎(chǔ)上，還應(yīng)保證摩擦階段有足夠的軸向縮短量，使氧化了的金屬盡可能以飛邊形式排出焊縫。

焊前焊接端面的銹蝕是產(chǎn)生灰斑的另一個(gè)重要原因。摩擦焊接并不能完全擠出原始端面上的物質(zhì)，因此焊前焊接端面的清污工作十分重要。焊接前應(yīng)徹底清除焊接端面上的銹、水、油等污物，保證讓潔凈的母材參與焊接，減少焊縫內(nèi)產(chǎn)生微觀灰斑的幾率。

根據(jù)此次側(cè)彎斷裂樣品宏微觀形貌及對應(yīng)的沖擊韌性值，可以看出該鉆桿焊縫在局部熔合面上存在灰斑缺陷，未完全熔合，將條形溝區(qū)域和平臺(tái)區(qū)域的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出灰斑占整個(gè)試樣焊縫的10%左右。

從斷口灰斑平淺韌窩內(nèi)的夾雜物（圖13）與壓彎試驗(yàn)樣斷口表面的黑色塊狀或者粒狀物質(zhì)的成分可以看出，夾雜物的成分均比較接近，為Al2O3、CaO和MnS等夾雜物，上述夾雜物應(yīng)為焊接母材內(nèi)帶入的夾雜物，而并非在焊接過程中外部“滲入”；如焊接端面上的銹、水、油等污物未清除干凈引起的灰斑，夾雜物成分主要以C、O等元素為主。據(jù)此可以推斷此次焊接灰斑是由于原料管端部存在較多的非金屬夾雜，在摩擦焊接過程中，焊接熔融區(qū)內(nèi)的夾雜物重新聚集，并且在焊接頂鍛擠壓時(shí)，這部分夾雜物從熔融區(qū)中未完全擠出，保留在焊縫面區(qū)域，形成灰斑缺陷。

5 結(jié)語與建議

此次鉆桿焊縫的側(cè)彎試驗(yàn)樣品斷口和沖擊斷口都表現(xiàn)為明顯的脆性斷口形貌，主要原因是原料管端部存在大量的夾雜物。在摩擦焊接過程中，由于這部分夾雜物未被擠壓出焊縫，在焊縫局部區(qū)域形成灰斑缺陷，降低了焊接接合面的實(shí)際強(qiáng)度。

建議在鉆桿焊接前應(yīng)徹底清除管體與接頭焊接端面上的污漬，確保焊接兩端母材的潔凈度，適當(dāng)提高摩擦焊接時(shí)的頂段壓力，保證焊縫軸向縮短量，使氧化了的金屬盡可能以飛邊形式擠出焊縫，從而降低焊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生微觀灰斑的幾率。