某S135 钻杆管体断裂失效分析
2022-04-22乔凌云毛浓召李鸿斌黄小江晁利宁
钻杆是钻柱的主要组成部分， 其上部连接钻杆， 下部连接钻铤。 钻杆主要作用是传递扭矩，使钻头向下钻进， 加深井眼。 钻杆内孔通入高压水， 用以冲洗钻头粉碎的岩屑， 并把岩屑排出井口。 钻井过程中， 钻杆受拉、 压、 扭、 弯等复杂静载和动载应力， 工作环境十分恶劣
。
何良诸拎着空枪，退到休息区内，把头靠在沙发上，闭住眼睛。租枪按时间计费，何良诸没有交回手枪，持枪在手，心里踏实，心情也是需要付费的。司机，让他抓耳挠腮候着去吧。出来得匆忙，何良诸要猫个地儿，逮住空儿，想一想。
腐蚀疲劳失效是钻杆失效的主要形式之一，它是钻井工程的大敌， 不仅增加钻具的消耗， 还因停工停产给生产带来巨大损失。 因此， 加强钻杆失效分析工作， 探究腐蚀疲劳失效的原因和规律， 寻求积极的预防措施， 对油气勘探和开发具有一定的意义
。
1 钻杆失效概况
2021 年10 月， 某地热井用Φ139.7 mm×11.5 mm S135 钻杆， 使用两个月， 在起钻深度500～800 m时发生断裂， 断裂位于钻杆公扣端， 距管端0.8～1 m 位置， 如图1 所示A 点位置。 以失效钻杆为研究对象， 分别进行宏观检验、 理化性能检验及断口分析， 认为该钻杆为腐蚀疲劳断裂失效。
2 理化性能测试
2.1 宏观检验
失效钻杆如图2 所示， 钻杆从靠近公扣端的加厚过渡区断裂， 表面有一层厚厚的腐蚀产物，外表面更甚， 内外表面均没有防腐涂层。 除去表面的腐蚀产物， 试样呈铁灰色和棕红色。 断口呈台阶状， 没有明显的塑性变形。 钻杆内外壁均被腐蚀， 内壁腐蚀坑小而浅， 腐蚀不均匀， 残留的腐蚀产物比较轻薄； 外壁腐蚀严重， 残留的腐蚀产物比较厚重， 且腐蚀严重区域沿钻杆轴向呈带状分布。 断口上有几处分别从内、 外壁起裂的扇形区， 部分区域磨损严重。
在失效样品上截取30 mm×50 mm 的试样，使用PDA-7000 光谱仪， 依据ASTM A751 《钢产品化学分析用标准试验方法、 作法和术语》 进行化学成分分析， 检验结果见表1。 结果表明，该样品化学成分满足API SPEC 5DP 对S135 材料的要求， P、 S 含量未超标。
2.2 化学分析
2004年6月26日—7月6日，黄河内蒙古三湖河口以下河段发生严重水污染事件，地方政府对乌梁素海的生态环境和周边污染源采取多项措施进行综合治理，在一定程度上促进了乌梁素海水质改善。据有关部门监测，2005—2008年，乌梁素海进水口水体总氮由6.03 mg/L下降至 1.31 mg/L，COD由54.4mg/L下降至26.9mg/L，总磷基本持平，说明水质已逐步好转。
为了进一步验证交互双模自适应无迹卡尔曼滤波算法的性能，测速电机主轴的运动状态采用式(19)表示的机动性更强的变速模型M2和恒速模型M1交替的形式，采用蒙特卡洛方法仿真200 ms(其中，41-90 ms以及111-160 ms采用变速模型，变速因子ζ分别为1和-1，其余步采用恒速模型。仿真结果如图8至图10所示。
2.3 金相检验及硬度检测
在失效样品上截取30 mm×50 mm 金相试样， 打磨、 抛光后用4%硝酸酒精腐蚀， 采用DMI5000M 型光学显微镜进行金相组织分析， 检验结果如图3 所示， 试样组织为回火索氏体， 组织均匀， 未见异常组织。
采用Durascan-70 全自动显微/维氏硬度试验机， 依据ASTM E92-17 《金属材料维氏及努氏硬度标准试验方法》 进行硬度检测， 压痕位置如图4 所示， 试验结果见表2。 试样平均硬度为352HV
， API SPEC 5DP 对 钻 杆 硬 度 值 未 做 要求， 此检验结果仅作参考。
2.4 拉伸试验
在失效样品上截取210 mm 长的拉伸试样，使用CMT5105 电子万能试验机， 依据ASTM A370 《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》 进行拉伸试验， 试验结果见表3， 试验结果满足API SPEC 5DP 《钻杆产品规范》 对S135材料的要求。
2.5 断口分析
在图5 所示失效样品上截取断口试样， 并使用5%柠檬酸对试样进行清洗。 观察发现， 2
位置的内壁和4
位置的外壁分别有明显的起裂特征， 为观察方便， 将试样截成5 个小块， 主要分析了2
试样的断口和内壁， 以及4
试样的断口和外壁的形貌及成分。
使用日立S－3700N 型扫描电镜对试样进行微观观察， 结果如图6、 图7 所示， 发现试样从内、 外壁腐蚀较严重的区域起裂， 呈半圆形径向扩展， 断口表面磨损比较严重， 起裂区有疲劳台阶， 扩展区可观察到疲劳弧线， 断口没有明显的塑性变形， 判断为疲劳断裂。
试样内壁腐蚀较轻， 且不均匀， 个别区域腐蚀坑较多， 腐蚀坑深宽比＜1∶2， 为吸氧腐蚀； 有些腐蚀坑内有针状孔洞深入材料内部， 为小孔腐蚀， 腐蚀严重区可观察到与轴向垂直的裂纹。
试样外壁腐蚀严重， 有大量的腐蚀坑， 个别地方腐蚀坑已连成与轴向垂直的线性缺陷（比较宽的裂纹）。 腐蚀坑较内壁大而深， 深宽比＜1∶2，为吸氧腐蚀； 并有很多针状孔洞向材料内部延伸，为小孔腐蚀。 腐蚀坑底部有穿晶或沿晶裂纹， 裂纹较宽， 有分岔， 且尖端钝化， 为典型的腐蚀疲劳裂纹。 腐蚀产物较厚， 微观形貌呈泥状花样。
除此之外，现如今闻喜花馍从农村走向城市形成一种产业。闻喜花馍玫瑰红专业合作社(现为太原晋闻食品贸易有限公司)、闻喜县卫嫂食品有限责任公司等作为代表，甚至淘宝上都有闻喜花馍的身影。据统计，在闻喜县，2012年成立四家合作社，2013年增加到六个合作社。2013年年初，闻喜花馍专卖店首次落户到山西省省会太原市。其中4个专业机构和3个食品公司都是由山西省闻喜县花馍协会引导农民成立的。
对内外壁及断口上的腐蚀产物进行能谱分析， 分析谱图及分析结果见图8 和表4。 从表4可 以 看 出， 腐 蚀 产 物 中 含 有O、 Cl、 Ca、 Si、Al、 Mg 等元素， 这些元素与钢铁的电化学腐蚀产物、 泥浆及地下矿物质成分基本一致。
近年来，大学生“考研热”现象备受各方关注。2012年全国研究生报考人数达到165.6万人，创历史新高，考研热还在不断升温。本科生考研作为一种个体行为，在宏观层面上却反映了当前的一种褒贬不一的社会现象。本文将在微观层面上探索影响这种个体行为抉择的因素，深化对本科生考研行为的认识，做出更为规范的分析，以期为高校的教育改革及相关部门的决策提供依据。
分析认为， 钻杆内外壁均为吸氧腐蚀、 小孔腐蚀和垢下腐蚀， 腐蚀坑内有裂纹萌生， 钻杆断裂是交变应力和腐蚀介质共同作用的结果， 为腐蚀疲劳断裂。 失效过程为： 新钻杆→腐蚀坑形成→裂纹萌生→裂纹扩展→断裂失效。
3 试验结果分析
3.1 环境因素
该钻杆分别从内外壁起裂， 沿壁厚方向扩展至断裂， 内外壁的腐蚀坑严重影响了钻杆的使用寿命。 钻杆外壁较内壁腐蚀严重， 且腐蚀严重区沿钻杆轴向呈带状分布， 推断钻杆曾在露天接触地面存放很长时间， 接触地面的一侧由于介质的长期作用腐蚀严重。 断裂位于靠近公扣端0.8～1 m处的加厚过渡区终了段， 此处内壁为薄厚过渡区， 因结构设计原因， 过渡不平缓， 井液容易滞留， 并形成涡流， 也易产生腐蚀。 钻杆内外壁腐蚀坑的形成大大缩短了裂纹的萌生时间， 从而使钻杆的使用寿命大幅度降低。
入库河道中丰富的生物物种，形成了一个复杂、动态平衡的生态系统。多样的生物物种和适宜的河道环境（水环境、地形条件、水文条件等）是河流系统可持续发展的基本要素条件。因此，入库河道生态建设需综合考虑生物的栖息条件，为生物生长、发育、捕食、繁殖等创造适宜条件，保护和恢复入库河道生态系统的完整性和多样性，从而维持河道的可持续发展需要。
阳极： Fe -2e→Fe
总之， 该钻杆在含O、 Cl
、 Ca
、 Mg
的介质中发生腐蚀， 腐蚀原理为吸氧腐蚀， Ca
、 Mg
引起垢下缝隙腐蚀， Cl
加速钻杆表面的局部腐蚀。
总反应式： 2Fe+O
+2H
O →2Fe
+4OH
伴随就业问题的凸显，大学生在就业中的焦虑问题越越来越普遍。就业焦虑按照在就业问题上的具体表现分为：冲动型（高焦虑阶段高效能）、无助型（低焦虑阶段、效能低）、稳健型（低焦虑阶段 高效能）、冷漠型（低焦虑阶段、低效能）
FeO(OH)失水后形成红棕色Fe
O
， Fe
O
继续氧化生成Fe
O
（FeFe
O
）， 这些腐蚀产物附着在钻杆表面， 疏松多孔， 起不到保护作用。 溶解的氧、 Fe
和H
富集在腐蚀坑内， 使坑内呈酸性。 为维持电荷平衡， 泥浆中的Cl
通过 “电泳”作用进入坑内， 由于Cl
半径较小， 穿透力强，极易穿过腐蚀产物到达金属表面， 破坏钻杆表面腐蚀产物的结构， 阻碍腐蚀产物膜形成， 促进膜下点蚀向材料内部深入， 产生小孔腐蚀。 小孔腐蚀对材料的破坏远比普通的氧腐蚀要大得多， 氯的增加， 会使腐蚀速率增加
。 该钻杆多处腐蚀产物能谱分析结果显示， Cl
含量高达3%以上， 大大促进了钻杆表面的局部腐蚀的速率。
F
+水解： 4Fe
+ O
+6 H
O→4FeO（OH）+8H
钻杆表面发生如下电化学腐蚀：
另外， 试样表面尤其外表面垢层较厚， 能谱分析有大量Ca、 Mg 元素存在， 它们以离子的形式存在于工况中， Ca
、 Mg
在钢材表面沉积结垢，构成缝隙腐蚀条件， 进一步诱发并加速腐蚀
。
阴极： O
+2H
O+4e →4OH
3.2 应力因素
钻杆在井下受拉、 压、 扭转、 弯曲等复杂的交变应力作用， 受重力因素和作业性质的影响， 轴向拉应力和弯曲应力是钻杆承受的主要应力。 钻杆管壁腐蚀坑形成之后， 坑内应力集中， 在轴向拉应力或弯曲应力的作用下， 裂纹在腐蚀坑内萌生， 形成多条垂直于钻杆轴向的裂纹。 随着应力的增加， 裂纹沿管壁扩展， 当同一平面的两条裂纹相遇时， 裂纹汇合并加速扩展； 当不同平面的两条裂纹相遇时， 裂纹从一个平面跳跃到另一个平面， 形成前面所述的台阶状断口形貌
。
另外， 该钻杆断裂发生在距公扣管端约为0.8～1 m 位置处， 这里是钻杆的加厚过渡区， 是钻杆的薄弱环节。 由于钻杆接头和加厚部分刚性高、 不易弯曲， 钻杆的薄厚过渡区就成了最易弯曲的地方。 当钻杆到达“狗腿子” 井段时， 加厚过渡区截面突变， 加之过渡区腐蚀严重， 在交变应力和腐蚀介质双重作用下， 腐蚀坑迅速加深，裂纹萌生并迅速扩展。
综上所述， 该钻杆断裂是交变应力和腐蚀介质共同作用的结果， 在裂纹萌生和扩展初期， 由于应力较低， 腐蚀起主导作用； 随着裂纹扩展， 钻杆受力面减小， 应力增加， 应力和腐蚀共同作用； 直到剩余壁厚不能承受载荷， 应力起主导作用， 钻杆断裂失效。 腐蚀坑的提前生成， 大大缩短了钻杆裂纹的萌生寿命， 从而降低了钻杆的使用寿命。
4 结论及建议
（1） 钻杆理化性能检测结果满足API SPEC 5DP 《钻杆产品规范》 的要求。
（2） 钻杆失效为交变应力和腐蚀介质共同作用引起的腐蚀疲劳断裂。
（3） 建议钻杆下井使用完后彻底清洗， 并加强钻杆存储期间的防护。
新的个税法已经明确子女教育、继续教育、大病医疗、普通住房贷款利息、住房租金、赡养老人支出6项专项附加扣除，而扣除的具体范围和标准还在制定中，向社会公开征求意见后依法于明年1月1日起实施。
（4） 下井前对钻杆进行无损检测， 避免失效事故的发生。
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