某型鉆鋌截面突變處失效分析與優(yōu)化

秦才會 盧華濤 朱玉寧 曹云風 楊 陽

（1.中海油田服務股份有限公司；2.中海油（天津）管道工程技術有限公司）

常見的無磁鉆鋌結(jié)構分為內(nèi)部插入式和外部嵌入式兩種，其中外部嵌入式儀器中雙母結(jié)構比較常見，雙母結(jié)構兩端通信和供電通常是通過流道轉(zhuǎn)換器作為載體實現(xiàn)的［1］。 為了使流道轉(zhuǎn)換器完全貼合安裝在鉆鋌上，鉆鋌貼合處外形結(jié)構會有突變，設計不當，會導致此處應力過大，進而導致鉆鋌容易在此處失效，故保障流道轉(zhuǎn)換器的安全穩(wěn)定工作很有必要。 在此，筆者對一種外部嵌入式鉆鋌在流道轉(zhuǎn)換器安裝面處的刺漏事故開展分析，對無磁鉆鋌失效件進行剖析，尋找鉆鋌失效的原因，提出一體化解決方案，為后續(xù)結(jié)構改進和生產(chǎn)維護作出科學指導。

1 刺漏事故概況

某675型無磁鉆鋌串接在車間進行內(nèi)部水循環(huán)測試時，發(fā)現(xiàn)有水從無磁鉆鋌壁上射出，發(fā)生刺漏事故，經(jīng)檢查，鉆鋌上端外表面出現(xiàn)周向裂紋（圖1）。 圖2為鉆鋌內(nèi)部結(jié)構和尺寸。 裂紋起始部位位于流道轉(zhuǎn)換器安裝面與鉆鋌的交線倒圓角處，該處倒圓角為R1。 裂紋沿著變截面圓角R1處圓周方向先后開裂，由內(nèi)部向外壁擴展，內(nèi)部裂紋張口大小不一，張口大的區(qū)域所對應的外壁已裂透，測量外壁裂紋周長有85.5 mm，裂紋整體距離儀器端面237.9 mm。

圖1 鉆鋌刺漏位置處裂紋

圖2 鉆鋌內(nèi)部結(jié)構和尺寸

2 宏觀檢查

沿 縱 向 切 割 變 截 面 處，檢 查 裂 紋 的 走 向［2～4］。經(jīng)熒光著色劑處理，裂紋走向和擴展深度均清晰顯現(xiàn)。 裂紋是沿鉆鋌壁厚方向從內(nèi)向外擴張的，與流道轉(zhuǎn)換器的安裝面處在同一個平面，裂紋走向平直，只在中部有分叉形成支裂紋。 裂紋部分經(jīng)拋光處理和腐蝕后顯現(xiàn)晶界，發(fā)現(xiàn)裂紋走向是穿晶擴展， 在主裂紋擴展的中部有兩處支裂紋，主裂紋旁還滋生有多條毛細裂紋，如圖3、4所示。

圖3 裂紋起源于平直轉(zhuǎn)接角

圖4 穿晶擴展的主裂紋旁滋生多條毛細裂紋

檢查變截面處轉(zhuǎn)接角的加工狀況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接角加工不規(guī)范（圖5），兩條直線相交處沒有加工成圖紙規(guī)定的半徑為1 mm的轉(zhuǎn)接角， 而是90°相交且還有銳角邊。

圖5 轉(zhuǎn)接角加工不規(guī)范

放大并觀察裂紋張口，發(fā)現(xiàn)張口最大處薄壁一側(cè)（通常，張口最大的區(qū)域就是裂紋起始區(qū)）有條微裂紋，長約2 mm，走向基本垂直于周向的加工刀痕。 該微裂紋起源于薄壁一側(cè)加工刀痕上，串起多個深腐蝕坑，并一直延伸到轉(zhuǎn)接角處，如圖6所示。

圖6 變截面裂紋張口處內(nèi)表面上微裂紋

3 內(nèi)表面微裂紋及斷口觀察與分析

利用掃描電子顯微鏡進一步觀察斷口附近的微裂紋形貌［5］。 微裂紋起源于轉(zhuǎn)接角附近薄壁一側(cè)內(nèi)表面加工刀痕上， 并串起多個深腐蝕坑，總長度約2 mm。 微裂紋和腐蝕坑均處在晶界上，呈晶間腐蝕的特征，晶界上的深腐蝕坑應該是晶界上沉淀相被腐蝕掉后形成的（圖7）。 將發(fā)生刺漏的大裂紋（圖6中的紅色橢圓區(qū)域）打開，斷口可見多條源自轉(zhuǎn)接角處的放射棱線和明顯的宏觀疲勞弧線特征（圖8）。 疲勞斷口上主要特征如下：

圖7 1 000倍下的晶間腐蝕微裂紋

圖8 疲勞斷口上的放射棱線和弧線

a. 深約3 mm、長約20 mm的弧形區(qū)是整個疲勞斷口的主源區(qū)；

b. 在弧形區(qū)的外圍有一條茶褐色水漬線，多個疲勞臺階就起源于這條水漬線，后續(xù)的疲勞裂紋萌生就是沿著這條水漬線；

c. 疲勞擴展后期有一條較長的疲勞弧線，多條平行的放射線就源于該弧線，且擴展后期也有水漬線，說明腐蝕環(huán)境對疲勞裂紋的萌生和擴展均有影響；

d. 由于腐蝕環(huán)境的影響， 斷面變得圓潤光滑，失去金屬光澤；

e. 疲勞裂紋擴展方向有一個約40°的轉(zhuǎn)向，分析應該與鉆鋌工作時受到的扭轉(zhuǎn)載荷有關。

觀察斷口源區(qū)形貌（圖9、10）可以發(fā)現(xiàn)：主疲勞裂紋的起源與轉(zhuǎn)接處的晶間腐蝕微裂紋關系最大，即晶間腐蝕微裂紋是誘發(fā)疲勞裂紋的重要因素之一；疲勞裂紋的起源還與轉(zhuǎn)接處的應力集中程度高和局部點蝕坑有關。 觀察疲勞擴展區(qū)形貌可以看到［6］，主要是放射棱線和疲勞弧線特征（圖11、12）， 在擴展后期還有穿晶解理脆性疲勞條帶和疲勞二次裂紋特征（圖13、14）。 在疲勞擴展區(qū)有許多外來物嵌在里面（圖15、16）。 圖17是疲勞擴展區(qū)上的一處腐蝕泥紋花樣。 在人為打開的瞬斷區(qū)是典型的剪切韌窩特征（圖18）。

圖9 主疲勞源區(qū)處的微裂紋

圖10 主疲勞源區(qū)一處點蝕坑

圖11 大疲勞弧線上的放射棱線

圖12 多條疲勞弧線

圖13 穿晶解理脆性疲勞條帶特征

圖14 微觀疲勞二次裂紋特征

圖15 疲勞擴展區(qū)上多處表面鑲嵌物

圖16 鑲嵌物的背散射電子像

圖17 擴展區(qū)上的點蝕坑和腐蝕泥紋

圖18 人為打斷區(qū)的剪切韌窩特征

利用X射線能譜儀測定鑲嵌物的化學成分，主要有鋇、氧、硫、碳及硅等高含量外來元素，分析可能是泥漿中存在硫酸鋇一類物質(zhì)。 另外，在厚壁臺階處即流道轉(zhuǎn)換器端面凹槽內(nèi)找到鉆井液泥漿沉積物， 經(jīng)能譜成分分析， 主要含有鋇、氧、硫、碳及硅等外來元素；同時還測定了主源區(qū)腐蝕坑處的成分，主要含有鋇、氧、硫、碳及硅等元素。 幾處不同部位的能譜成分分析結(jié)果說明，鉆鋌工作中受到泥漿腐蝕環(huán)境的極大影響。 根據(jù)裂紋及斷口的宏觀和微觀分析結(jié)果可以明確，鉆鋌變截面處發(fā)生刺漏的裂紋性質(zhì)屬于腐蝕疲勞裂紋，它是在交變應力和腐蝕環(huán)境相交作用下產(chǎn)生的脆性裂紋，腐蝕疲勞裂紋最早起源于應力集中程度高的轉(zhuǎn)接角的晶間腐蝕微裂紋處［7，8］。

4 鉆鋌內(nèi)鉆井液泥漿沉積物的XRD分析

在鉆鋌厚壁臺階處即流道轉(zhuǎn)換器端頭凹槽內(nèi)找到許多鉆井液泥漿沉積物（圖19）。 經(jīng)X射線能譜成分分析，主要成分是鋇、氧、硫、碳及硅等元素。 進一步用X射線衍射儀XRD分析鉆井液泥漿沉積物的物質(zhì)組成， 結(jié)果顯示沉積物主要由BaSO4、BaCO3及SiO2等物質(zhì)組成，XRD分析結(jié)果與能譜成分分析結(jié)果相吻合。 能譜定量分析結(jié)果見表1。

表1 X射線能譜定量分析結(jié)果

圖19 端頭凹槽內(nèi)鉆井液泥漿沉積物

5 材料性能分析

5.1 理化性能

依據(jù)試驗標準ASTM A751-14a， 在失效鉆鋌上不同位置截取幾個小試塊， 用直讀光譜儀SPECTRO LAB M11測試鉆鋌的化學成分， 其化學成分符合15-15HS MAX材料要求。 依據(jù)試驗標準ASTM A370-19e1，在失效鉆鋌管體縱向不同位置截取直徑為12.5 mm、長為50 mm的3個小試塊，在Z600雙立柱萬能試驗機進行拉伸試驗，試驗結(jié)果顯示材料拉伸性能符合要求。 在失效鉆鋌管體縱向截取10 mm×10 mm×55 mm的試塊，V型缺口， 在PSW750擺錘沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗，結(jié)果顯示材料沖擊性能符合要求。 在失效鉆鋌管體橫向截取試塊，用R547洛氏硬度計測量試塊硬度值，結(jié)果顯示材料硬度符合要求。

5.2 金相組織

切取斷口附近的管體，制成縱向和橫向金相試樣。 依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2002 《金屬平均晶粒度測定方法》和GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標準評級圖顯微檢測法》進行顯微組織、夾雜物評級和晶粒度評級檢測［9］。

金相組織如圖20所示，非金屬夾雜物如圖21所示。 金相組織為單相奧氏體，晶界聚積少量粒狀或條狀沉淀相，局部區(qū)域晶界沉淀相呈島鏈狀分布，晶內(nèi)沉淀相則相對較少。 為了確定晶界沉淀相的成分，利用掃描電鏡和能譜儀觀察電子金相［10］，并進行沉淀相成分分析。 圖22是電子金相觀察結(jié)果，沉淀相多在晶界上聚積，局部呈密排分布，沉淀相很容易被酸腐蝕掉，露出空洞。 此種情況與內(nèi)壁處晶界腐蝕微裂紋上有許多空洞高度一致。 圖23是能譜分析觀察保留在晶界上的沉淀相，其中硼元素和氮元素的含量異常高，說明晶界出現(xiàn)了金屬氮化物（或硼化物）相，增加了1515-HS MAX高氮鉻錳不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的敏感程度。

圖20 奧氏體晶粒+晶界分布沉淀相

圖21 非金屬夾雜物

圖22 呈密排分布的晶界沉淀相

圖23 晶界沉淀相

5.3 耐腐蝕性能

依據(jù)ASTM A-262，方法A，開展晶間腐蝕試驗，晶界上觀察到鉻的氮化物沉淀相。 依據(jù)ASTM A-262，方法E，硫酸-硫酸銅溶液，15 h，開展晶間腐蝕試驗。 耐腐蝕試驗結(jié)果完全與金相分析結(jié)果和失效件的實際腐蝕狀況相吻合。

依據(jù)ASTM G150，開展電化學臨界點蝕溫度試驗，測試出電化學臨界點蝕溫度為26.4 ℃。 臨界點蝕溫度低于1515-HS MAX Material Technical Requirements中對點蝕的要求（35 ℃）。

6 有限元分析

由于受到流道轉(zhuǎn)換器尺寸的限制，鉆鋌變截面處的圓角不能無限增大， 圓角最大可設計為R4。鉆鋌一端固定約束，另一端施加載荷，載荷為壓、彎、扭、組合：壓力200 kN，彎矩65 kN（等效12°/30 m），扭矩20 kN·m。 進行有限元分析（圖24），發(fā)現(xiàn)在同等載荷工況下，變截面圓角為R0.5時，變截面處最大應力為234.2 MPa；變截面圓角為R4時，變截面處最大應力為110.4 MPa；圓角增大，變截面處的應力明顯下降。

圖24 壓、彎、扭組合作用應力分布圖

7 結(jié)論與建議

7.1 無磁鉆鋌刺漏事故是由于在內(nèi)部變截面處產(chǎn)生腐蝕疲勞穿透裂紋引起，裂紋起源于轉(zhuǎn)接角處。

7.2 轉(zhuǎn)接角加工不到位和設計值偏小，增加了應力集中程度， 是造成腐蝕疲勞裂紋的根本原因。通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)增大變截面處圓角，能有效減少應力集中程度。 建議增大變截面處圓角為R4，同時對變截面圓角進行滾壓強化。

7.3 變截面轉(zhuǎn)接處的晶間腐蝕微裂紋是引起腐蝕疲勞裂紋的誘發(fā)因素，晶界聚積鉻的氮化物或硼化物沉淀相， 增加了材料晶間腐蝕敏感程度，在腐蝕環(huán)境下容易誘發(fā)晶間腐蝕裂紋。

7.4 材料電化學臨界點蝕溫度為26.4 ℃，低于標準要求，材料容易發(fā)生點蝕。 優(yōu)化熱處理工藝，使晶粒大小合適， 使沉淀相能在晶內(nèi)均勻析出，降低材料發(fā)生晶間腐蝕和點蝕的風險。