127 mm S135型钻杆管体刺穿失效分析

2013-05-04陈长青李齐富刘进田徐永生王宝忠

石油矿场机械 2013年1期

陈长青，李齐富，刘进田，徐永生，王宝忠

（1.渤海装备制造有限公司第一机械厂，河北青县062658；2.长庆油田分公司机械制造总厂，西安710201；3.渤海钻探工程公司第三钻井分公司，天津300280） ①

1 宏观分析

失效的127 mm×9.19 mm S135型钻杆样品长度约为450 mm，试样上有3处刺孔，刺孔部位外表面腐蚀明显比其他部位严重；刺孔位于钻杆内加厚过渡锥面消失部位附近，除刺穿部位以外的内壁涂层均完好，钻杆内加厚锥面长度约为110 mm，如图1所示。经磁粉探伤发现，试样外表面靠近刺孔部位有许多周向分布的微裂纹存在，如图2～3。

图1 失效钻杆宏观形貌

图2 刺孔形貌

图3 刺孔周围裂纹形貌

2 理化检测

2.1 金相分析

从失效钻杆样品上取样，分析材料中的夹杂物、金相组织和晶粒度，分析结果如表1所示。材料的金相组织为回火索氏体，晶粒度等级为8.0级。金相分析表明：试样外表面小腐蚀坑内有大量裂纹分布，腐蚀坑及裂纹周围组织无异常，裂纹穿晶扩展，如图4～5所示。

表1 材料的非金属夹杂物和显微组织

图4 失效钻杆外表面萌生的裂纹

2.2 化学成分分析

从失效钻杆样品上取样检测化学成分，结果如表2所示，可以看出：钻杆材料为20Cr MnMo，材料化学成分中的S和P含量符合SY/T5561—2008标准［5］。

图5 钻杆外表面微裂纹形貌

表2 钻杆的化学成分w B%

2.3 力学性能分析

从失效钻杆样品上取板状拉伸试样，规格为7.5 mm×10 mm×55 mm的纵向夏比V型缺口冲击试样，试验结果如表3。结果表明：失效钻杆的拉伸性能和常温纵向冲击功符合SY/T 5561—2008标准要求，－20℃条件下的纵向冲击功符合SY/T5561—2008标准补充技术条件要求。

表3 钻杆管体力学性能

2.4 微观形貌及能谱分析

将失效试样外表面的长裂纹打开，清洗后采用扫描电子显微镜对其表面形貌进行微观分析。裂纹断面呈椭圆形，断面放射棱线收敛于外表面腐蚀坑底部，低倍可见明显的疲劳弧线形貌，如图6所示。高倍下观察发现，靠近裂纹源区位置被严重腐蚀，裂纹扩展区高倍下可见明显的疲劳条带形貌（如图7所示）。能谱分析表明，裂纹扩展区的腐蚀主要为氧腐蚀，如图8所示。

图6 裂纹断面形貌

图7 裂纹扩展区的疲劳条带

图8 裂纹表面的能谱分析

3 综合分析

失效钻杆材料的理化性能符合API Spec 5DP—2010和SY/T5561—2008标准。

失效钻杆样品上有3处刺孔，刺孔位于钻杆内加厚过渡锥面消失部位附近，钻杆内加厚锥面长度约为110 mm，钻杆内壁涂层除刺穿部位外均完好，刺孔部位的钻杆外表面腐蚀明显比其他部位严重。磁粉探伤和金相分析表明：刺孔周围的钻杆外壁腐蚀坑底部有大量裂纹存在，裂纹周围组织无异常。打开钻杆外壁的长裂纹后发现：裂纹断面呈椭圆形，断面放射棱线收敛于外表面腐蚀坑底部，有明显的疲劳弧线形貌；高倍显微镜下观察发现，裂纹扩展区有明显的疲劳条带特征；能谱分析表明，裂纹表面的腐蚀主要为氧腐蚀。综合以上特征分析可以确定，钻杆刺穿失效为腐蚀疲劳失效，裂纹起源于钻杆内加厚过渡锥面消失部位对应的外表面腐蚀坑底部。

失效钻杆内加厚锥面长度约为110 mm，达到API Spec 5DP—2010要求的最小长度76.2 mm和SY/T 5561—2008标准要求的100 mm。钻杆内加厚锥面与管体之间的过渡较为光滑，这降低了钻杆内加厚锥面消失部位内壁的应力集中程度。当钻杆承受扭矩和弯矩载荷时，钻杆内加厚锥面消失部位的最大拉应力便会向外表面转移，尤其是外表面局部腐蚀坑的存在会进一步加剧外表面的应力集中，促进疲劳裂纹的萌生。依据钻杆失效部位的裂纹特征推测，钻杆的失效可能与其在大井斜角部位长时间服役有关。钻杆的全尺寸实物疲劳试验是目前评价钻杆疲劳寿命的最有效方法，为了保证钻杆的服役安全，建议对该批次钻杆的剩余疲劳寿命进行实物试验评价。