S135钻杆接头缺口疲劳行为研究

李 皓， 曾德智， 高定祥， 刘 飞， 田 刚， 施太和

（1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500；2. 中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011；3. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；4. 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000）

在石油钻井中，疲劳失效是钻杆失效的重要形式。统计表明：钻杆疲劳失效大多为接头失效；钻杆接头存在严重的应力集中，对钻杆疲劳失效有很大的影响。因此，评价钻杆在应力集中条件下的疲劳性能、对缺口的敏感性，以及研究应力集中、加载程度对疲劳性能的影响，对评估缺口对钻杆使用寿命的影响程度具有重要的意义。

Huang Bensheng等人[1]研究了H2S预腐蚀对S135钻杆旋转弯曲疲劳性能的影响，以及S135钻杆被H2S损伤后的疲劳破坏机制。Zeng Dezhi等人[2]研究了H2S预腐蚀对S135钻杆疲劳性能和疲劳裂纹萌生的影响。C. Ojanomare等人[3]通过多参数的权函数研究了钻井过程中钻杆疲劳裂纹增长的过程。Liu Yonggang等人[4]基于服务条件、材料质量、应力和腐蚀等因素，进行了硫化物应力腐蚀开裂试验，研究了钻杆的轴向开裂，并提出了预防钻杆轴向开裂的措施。S. M. Zamani等人[5]研究认为钻井过程中钻杆疲劳失效主要由复合载荷、综合应力、振动和钻井液腐蚀等造成，并提出了预防钻杆失效的有效措施。Lin Yuanhua等人[6-9]采用多次重复冲击疲劳试验测试了G105和S135钻杆的冲击疲劳性能，并采用数值模拟和试验的方法研究了双台肩钻杆接头应力场的分布。Han Yan等人[10]统计分析了新疆油田S135钻杆失效情况，结果表明，钻杆失效原因为硫化物应力腐蚀开裂。根据上述研究可知：国内外学者对钻杆失效的研究成果大多集中于腐蚀/预腐蚀、腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂等方面，对于钻杆接头缺口疲劳性能和对缺口敏感性的研究却鲜见报道。

因此，笔者以S135钻杆材料为研究对象，在钻杆接头上沿轴向取样，根据接头螺纹牙型和应力集中系数设计了光滑和缺口2种试样，使用PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机进行了疲劳试验，并采用扫描电镜（SEM）观察S135钻杆断口的形貌，分析了S135钻杆接头缺口的疲劳行为。

1 S135钻杆接头疲劳试验

1.1 试验材料

以S135钻杆为研究对象，在钻杆接头上沿轴向取样，作为试验试样。S135钻杆接头中C，Si，Mn，P，S，Cr，Mo和 Ni等元素的含量分别为 0.370%、0.240%、0.960%、0.011%、0.007%、1.140%、0.320%和0.080%，符合API标准对S135钻杆使用规范的要求。S135钻杆材料的屈服强度为1 034 MPa，抗拉强度为1 137 MPa，延伸率为17.29%，冲击功为103 J，洛氏硬度为331。

1.2 试验方案

钻杆接头螺纹断裂和刺漏是钻杆失效的主要形式之一[11-12]。钻杆接头存在严重的应力集中，可使钻杆在循环载荷下迅速断裂[6]。当前使用的钻杆大多存在螺纹应力集中过大产生的缺口疲劳问题（见图1）。

图1 钻杆接头疲劳失效位置Fig. 1 Fatigue failure position of drill pipe joint

为研究螺纹应力集中对钻杆接头疲劳性能的影响，设计了光滑试样和缺口试样。光滑试样如图2所示。基于钻杆接头螺纹牙形，设计了V形缺口试样。缺口几何参数定义（缺口深度H、缺口张角α、缺口根部半径R）如图3所示，缺口试样如图4所示。

图2 光滑试样（单位：mm）Fig. 2 Smooth specimen (unit： mm)

图3 V形缺口几何特征和参数定义Fig. 3 The geometric feature and parameter definition of V-notch

采用SolidWorks软件对光滑试样和缺口试样进行有限元分析。当施加弯曲载荷时，光滑试样漏斗部位的等效应力场如图5所示。由图5可以看出，光滑试样试验部位应力场线平行分布，不存在应力集中现象。当施加弯曲载荷时，缺口试样缺口部位的等效应力场分布如图6所示。由图6可以看出，缺口根部的应力最大，缺口改变了应力场的分布，缺口根部存在应力集中现象。

笔者通过试验研究缺口应力集中对S135钻杆接头疲劳性能的影响，具体试验方案见表1。

图4 缺口试样（单位：mm）Fig. 4 Notch specimen (unit： mm)

图5 光滑试样的等效应力云图Fig. 5 Equivalent stress nephogram of a smooth specimen

图6 缺口试样的等效应力云图Fig. 6 Equivalent stress map of notched specimen

表1 缺口应力集中对S135钻杆疲劳性能影响的试验方案Table 1 Test Scheme for the Influence of Notch Stress Concentration on Fatigue Behavior of S135 Drill Pipe

1.3 试验方法

参照标准GB/T 4337—2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》，使用PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机进行S135钻杆接头缺口疲劳试验，根据S135钻杆的抗拉强度和应力集中系数设计多级应力水平，从低到高逐级进行试验。采用升降配对法计算S135钻杆的疲劳极限，采用成组法测定S135钻杆的有限疲劳寿命，具体试验方法见文献[14-15]。

1.4 试验数据处理方法

采用三参数幂函数S-N模型（见式（1））拟合S135钻杆材料的S-N曲线。

三参数幂函数S-N模型为：

将式（1）线性化可得：

三参数幂函数S-N曲线模型有，m和C共3个参数，先用线性相关系数优化法求得，然后再用最小二乘法拟合求出m和C[16]。

2 试验结果与分析

2.1 疲劳强度对缺口的敏感性

图7为5种试样的应力水平升降形式及疲劳强度S-1。根据图7中的测试结果，绘制应力集中系数Kt与S-1的关系曲线，并进行回归，结果如图8所示。由图8可知，随Kt增大，S-1逐渐降低，对S-1的影响逐渐增大，S-1与Kt的关系符合幂函数关系（S-1=634.85）。

图7 不同应力集中系数Kt下应力升降示意图Fig. 7 Schematic diagram of stress fluctuation under different Kt

图8 应力集中系数与疲劳强度的关系Fig. 8 Relationship between stress concentration factor and fatigue strength

表2 缺口疲劳系数及缺口敏感性计算结果Table 2 Calculation results of notch fatigue coefficient and notch sensitivity

2.2 应力-寿命曲线的绘制及分析

笔者测试了5种试样在7级应力水平下的疲劳寿命，基于5种试样在7级应力水平线的中值寿命N50，利用式（1）拟合了5种试样的S-N曲线及方程，结果如图9所示。

图9 不同应力集中程度下的S-N曲线Fig. 9 S-N cures at different stress concentration degrees

由图9可知：Kt为1.00时的疲劳寿命最长，Kt为4.10时疲劳寿命最短；随Kt增大，S-N曲线逐渐向左下角移动，Kt对疲劳寿命的影响逐渐增大。因此，对钻杆接头螺纹牙型进行优化设计，可以降低螺纹的应力集中程度，提高钻杆的疲劳寿命，从而降低钻杆失效的风险。

2.3 疲劳断口分析

图10为通过扫描电镜（SEM）观察到的光滑试样的断口形貌，其中（a）为高应力下断口的整体形貌，（b）为高应力下疲劳源区的形貌，（c）为低应力下断口的整体形貌，（d）为低应力下疲劳源区的形貌。由图10可以看出：高低应力条件下疲劳裂纹都从试样边缘局部开始萌生，随着循环应力的作用向内部扩展，超过亚稳定临界状态后快速失稳断裂；断口存在光滑的裂纹源区A、稳定的裂纹扩展区B和粗糙的瞬间断裂区C；高应力下，B区的面积较小，C区的面积较大，裂纹粗而稀；低应力下，B区的面积较大，C区的面积较小，裂纹细而密。

图10 光滑试样在空气中的疲劳断口Fig. 10 Fatigue fracture of a smooth specimen in air

图11 和图12 分别为通过扫描电镜（SEM）观察到的Kt为2.23和4.11时缺口试样的断口形貌，其中（a）为高应力下断口的整体形貌，（b）为高应力下疲劳源区的形貌，（c）为低应力下断口的整体形貌，（d）为低应力下疲劳源区的形貌。由图11和图12可知：疲劳裂纹从缺口根部开始萌生（存在多个裂纹源A1、A2，A3，…），呈环形向内部扩展，C区位于试样中心；高应力下裂纹萌生区存在明显的撕裂痕迹（见图12（b）），断口比较粗糙，疲劳裂纹在表面质点处萌生（见图11（b）），疲劳条带较粗、较明显（见图11（b）、图12（b））；低应力下断口比较光滑、平整（见图11（d）和图12（d））。

图13为通过扫描电镜（SEM）观察到的Kt为3.01时低应力（267 MPa）作用下缺口试样断口的形貌，其中（a）为断口的整体形貌，（b）为疲劳源区的形貌。通过比较图11、图12和图13中Kt分别为2.23、3.01和4.11时，低应力（267 MPa）作用下断口的形貌可知：裂纹从缺口根部表面开始萌生（见图11（d）、图12（d）和图13（b）），在相同应力下，随Kt增大缺口根部的撕裂程度逐渐减弱，断口表面的B区逐渐变得平整、光滑，C区的粗糙程度降低、面积减小（见图11（c）、图12（c）和图13（a））。

图11 缺口试样在空气中的疲劳断口（Kt=2.23）Fig. 11 Fatigue fracture of notch specimen in air (Kt=2.23)

图12 缺口试样在空气中的疲劳断口（Kt=4.11）Fig. 12 Fatigue fracture of notch specimen in air (Kt=4.11)

3 结 论

1）S135钻杆接头的疲劳行为具有选择性。光滑试样（Kt=1）的疲劳裂纹通常从表面或亚表面最敏感、最脆弱的部位开始萌生（呈单源开裂），裂纹呈扇形向内扩展，瞬断区位于断口边缘、呈月牙状；缺口试样（Kt＞1）的裂纹从缺口根部开始萌生，存在多源性（呈环形排列），裂纹呈环形向内部扩展，瞬断区位于断口中心区域附近、呈圆饼状。因此，缺口决定了疲劳裂纹萌生的部位和裂纹扩展的方式。

图13 Kt=3.01缺口试样在空气中的疲劳断口Fig. 13 Fatigue fracture of notch sample in air(Kt=3.01)

2）S135钻杆接头的疲劳行为对缺口具有一定的敏感性。在相同应力下，随缺口根部半径R减小（Kt增加），缺口根部的撕裂现象减弱，断口变得光滑、平整，疲劳裂纹变得细而密。因此，建议减小钻杆接头螺纹牙根部半径，以降低接头螺牙齿根的应力集中程度，增强钻杆接头抵抗裂纹萌生和扩展的能力，提高钻杆疲劳寿命。