工程用35CrMo钢钻杆螺纹断裂失效分析

王洪礼　王　凌　刘立新

(新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆830004)



工程用35CrMo钢钻杆螺纹断裂失效分析

王洪礼王凌刘立新

(新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆830004)

新疆某油田公司使用的材质35CrMo钢钻杆在生产过程中出现螺纹部位断裂现象。本文对断裂钻杆件的化学成分、宏观形貌、维氏硬度、洛氏硬度和显微组织进行了分析测试，对断裂原因进行了分析并提出了改进措施，为进一步优化钻杆生产工艺，提高钻杆使用寿命，减少钻杆失效事故提供了重要依据。

1分析方法及结果

1.1　化学成分分析

断裂钻杆材质为35CrMo钢，执行标准为GB/T3077—1999《合金结构钢》。采用Q8火花直读发射光谱仪对断裂钻杆的化学成分进行分析，测试结果见表1。与GB/T3077标准对照发现，断裂钻杆的化学成分符合标准要求。

1.2　断口的宏观形貌

图1为现场截取的断裂钻杆件试样。通过肉眼观察可以发现，断裂钻杆的螺纹部分有较严重的损伤，结构较粗糙，靠近螺纹根部的边缘较为平坦，螺纹面有大量腐蚀坑。说明腐蚀对裂纹的产生具有一定促进作用，同时断口宏观形貌以韧窝为主，显示韧性断裂的特征。分析认为这是钻杆松动后，内外螺纹产生了相对运动，反复撞击螺纹部分所致。

表1　钻杆化学成分分析结果(质量分数，%)Table 1　Chemical composition analysis result of fractured drill pipe (mass fraction, %)

图1　断裂钻杆断口宏观形貌

1.3　硬度试验

截取断裂钻杆螺纹处的不同部位，用HRS—150型数显洛氏硬度计测量洛氏硬度，测试结果在27.8～31.4HRC之间。图纸要求的硬度范围为24.5～31.5HRC，表明钻杆的硬度比较偏上限，同时硬度分散性较大，说明钻杆生产工艺的一致性较差。

用HVS—30型维氏硬度计对钻杆螺纹处的表面显微硬度及心部显微硬度进行测定，结果见表2。从表2可以看出表面显微硬度明显高于心部显微硬度。根据图纸设计要求，不允许表面显微硬度高出心部显微硬度30HV0.3。钻杆显微硬度超标，说明在钻杆生产过程中对碳含量控制不严格含量过高，从而使钻杆螺纹表面较硬脆，塑性明显低于内部。在使用过程中会降低钻杆抗疲劳强度及冷热疲劳抗力性能。

表2　显微硬度检测结果

(a)断裂钻杆金相组织 ×100

(b)断裂钻杆金相组织 ×500

1.4　金相组织

用线切割方法沿断裂钻杆螺纹的纵截面截取试样，按照GB/T13298—1991规定的方法进行试验。金相试样用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，使用XJG—05型金相显微镜分别在100倍和500倍下观察微观显微组织形貌，如图2所示。

从图2中可以看出，其显微组织为回火索氏体+上贝氏体。回火索氏体是钻杆热处理后的正常组织，而上贝氏体则会显著影响钻杆的力学性能，是有害组织。上贝氏体的产生是由于热处理工艺不当造成的。依据钢铁材料热处理过程中的连续冷却转变C曲线，淬火冷却过程中冷却速度对组织的影响显著。如果冷却速度较慢，会使冷却曲线碰到C曲线的“鼻子”，使材料发生上贝氏体转变，导致材料性能下降。钻杆件在热处理过程中淬火温度过高，会引起晶粒粗大，同时淬火后冷却速度太慢，组织中生成明显的上贝氏体组织，导致钻杆韧性变差，降低了材料的强韧性。

2讨论

通过对35CrMo钢钻杆螺纹断裂件进行一系列试验分析，得出断裂原因是：

钻杆淬火时温度过高，冷却速度过慢导致组织中出现上贝氏体组织，使晶粒间强度大大降低，脆性明显增加。这是造成钻杆螺纹断裂的主要原因；

钻杆螺纹外表面发生严重的腐蚀，腐蚀对裂纹的产生有一定促进作用；

钻杆碳含量过高也是引起其断裂原因之一。

3改进措施

针对钻杆螺纹断裂原因，采取了以下改进措施，以提高钻杆螺纹的强韧性，减少断裂发生。

存放钻杆位置尽量远离井下酸性环境，并定期清洗钻杆；

适当调整热处理工艺，降低淬火温度，提高冷却速度。这样能确保螺栓的显微组织形成强韧性好的回火索氏体；

适当减少钻杆中碳含量。

参考文献

[1]热处理手册编委会.热处理手册：第四分册[M].北京：机械工业出版社, 1978.

[2]赵海丽，陈琦峰，王继良. 35CrMo钢螺栓断裂失效分析[J]. 金属热处理, 2007， 32(6): 114-115.

[3]高尚，徐勇，孙国雄，等.高强度螺栓断裂分析[J]. 理化检验-物理分册.2006， 42(6): 306-308.

[4]管朝晖，杨斌. 工程用钻杆螺纹断裂失效研究[J]. 机械设计与制造, 2009(12): 152-154.

编辑杜敏

摘要：对工程用35CrMo钢钻杆螺纹断裂件的化学成分、维氏硬度、洛氏硬度、断口宏观形貌和微观组织进行了分析。结果表明热处理工艺不稳定，出现非正常组织是钻杆断裂失效的主要原因。研究为进一步优化钻杆热处理工艺提供了重要依据。

关键词：35CrMo；钻杆；断裂；失效分析

Invalid Analysis of 35CrMo Steel Drill Pipe Thread Fracture Used in Engineering

Wang Hongli, Wang Ling, Liu Lixin

Abstract：Thread fracture of 35CrMo steel drill pipe used in engineering has been analyzed chemical composition, Vickers hardness and Rockwell hardness as well as macro appearance and micro structure of fracture. The result showed that unordinary structure raised by unstable heat treatment process was main cause of drill pipe fracture, which provided vital basis for further improving heat treatment process of drill pipe.

Key words：35CrMo; drill pipe; fracture; invalid analysis

作者简介：王洪礼(1982—)，男，硕士，主要从事金属材料的检验工作。

收稿日期：2014—05—05

中图分类号：TG115

文献标志码：B