钻井顶驱保护接头断裂原因分析

王 强

(中国石油集团川庆钻探长庆钻井总公司 陕西 西安 710018)

0 引 言

顶驱保护接头主要用于钻柱的顶驱系统,它是连接在顶驱下考克和钻杆之间的接头,它既有转换接头的作用,又有保护下考克的作用。顶驱保护接头在顶驱钻井中承受了复杂的拉伸、扭转和弯曲等交变应力,因而顶驱保护接头在钻井生产中会发生断裂等失效事故。本文对发生了断裂失效的顶驱保护接头进行试验分析,确定了该顶驱保护接头螺纹断裂原因,并提出了相应的改进措施,预防此类失效事故再次发生[1]。

1 顶驱保护接头断裂失效情况

2022年5月8日某钻井队在井深3 746 m时进行接单根作业,坐于对开门吊卡上的顶驱保护接头突然发生断裂。检查后发现,顶驱保护接头外螺纹大端第1扣处发生了断裂失效。事故发生时钻遇地层石盒子层,钻压为8 kN,转速为60 r/min,扭矩为11～13 kN,泵压为21.6 MPa,循环泵压为18.2 MPa。

断裂的顶驱保护接头的螺纹规格为6 5/8REG×HLST39P,材料为4145H。该接头于2022 年4月19日投入使用,使用时间共计178 h,上卸扣95次。

2 试验结果及分析

2.1 宏观分析

断裂后的顶驱保护接头长度为410 mm,断裂位置为外螺纹大端第1扣螺纹根部,断口距台肩面12 mm,该断裂的顶驱保护接头宏观形貌如图1所示。对该断裂顶驱保护接头的尺寸进行测量,结果见表1。

表1 断裂顶驱保护接头尺寸测量结果 mm

图1 断裂顶驱保护接头宏观形貌

断裂顶驱保护接头断口宏观形貌如图2所示。

图2 断裂顶驱保护接头断口宏观形貌

从图2可见,该断口表面主要由垂直于轴向的平整平面和与轴向的夹角约为45°斜面组成。断裂起源于外螺纹大端第1扣螺纹根部。断口上平面区域存在贝纹线,这些贝纹线为顶驱保护接头在交变载荷作用下裂纹疲劳扩展形貌。断口上的斜面区域为最终断裂区[2]。断裂顶驱保护接头的台肩面上存在挤压痕迹,由此说明该顶驱保护接头上扣扭矩较大。在断裂顶驱保护接头断口附近的螺纹部位取样,其宏观形貌见图3所示。从图3可见,该螺纹根部存在挤压棱边。将图3中的螺纹样品进行镶嵌、磨制和抛光处理,金相显微镜下观察其截面形貌,结果如图4所示。从图4可见,螺纹被挤压并发生了严重变形,螺纹面存在挤压棱边。螺纹根部倒角处过渡部位为尖锐形状,过渡圆弧部位存在2条裂纹,并呈现疲劳开裂特征[3],其中最长的裂纹扩展深度为374 μm。

图3 螺纹根部宏观形貌

图4 端纹侧截面形貌

对图4中的过渡圆弧曲率半径进行测量,结果如图5所示。从图5可见,该顶驱保护接头螺纹根部过渡圆弧半径分别为120.37 μm(0.12 mm)和79.64 μm(0.08 mm)。

图5 过渡圆弧曲率半径测量

对图4中的样品进行浸蚀,在显微镜下观察其微观形貌,结果如图6所示。从图6可见,螺纹的导向面、承载面以及螺纹牙根部均存在一层马氏体白亮层,且该部位存在组织变形流线,螺纹根部过渡圆弧处发生了开裂[4]。

图6 浸蚀后螺纹根部形貌

对同批次未使用的接头螺纹根部形貌进行观察,结果如图7所示。从图7可见,该螺纹牙底过渡圆弧倒角平滑。将图7与图6的螺纹牙底形貌进行对比,进一步说明断裂顶驱保护接头的螺纹根部在上扣和使用时发生了挤压变形。

图7 同批次接头螺纹根部形貌

2.2 理化性能分析

2.2.1 化学成分

在断裂顶驱保护接头的本体上取样,用ARL-3460 直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果见表 2。从表2可见,断裂顶驱保护接头材料的化学成分符合技术规格书的要求。

表2 化学成分分析结果(质量分数) %

2.2.2 力学性能

在断裂顶驱保护接头的断口附近取力学性能试样。拉伸试验采用纵向棒状拉伸试样,标距内直径为12.5 mm,试验温度为室温,拉伸性能试验结果见表3。从表3可见,该顶驱保护接头的抗拉强度、屈服强度和伸长率均符合技术规格书的要求。

表3 拉伸性能试验结果

冲击试验采用纵向夏比冲击试样,其尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。沿壁厚方向开V型缺口,试验温度为21 ℃,冲击试验结果见表4。从表4可见,该顶驱保护接头的纵向冲击功单个值满足技术规格书的要求,但其平均值低于技术规格书的要求。

表4 冲击性能试验结果

在断裂顶驱保护接头的断口附近取硬度试样,分别对其外壁、中部和内壁的布氏硬度进行试验,结果见表5。从表5可见,该顶驱保护接头的外壁布氏硬度值低于技术规格书的要求,其中部布氏硬度值符合技术规格书的要求。

表5 布氏硬度试验结果

2.2.3 金相组织

在断裂顶驱保护接头的断口附近取金相试样,在金相显微镜下试验分析其材料的金相组织,结果如图8所示。从图8可见,断裂顶驱保护接头材料的金相组织为回火索氏体。用金相显微镜对其材料的非金属夹杂物和组织晶粒度进行试验分析,结果见表6。从表6可见,断裂顶驱保护接头材料的非金属夹杂评级和晶粒度符合技术规格书的要求。

表6 顶驱保护接头非金属夹杂物和晶粒度试验结果

图8 断裂顶驱保护接头材料的金相组织

2.3 断口形貌微观分析

在断裂顶驱保护接头的断口的裂纹源区、扩展区及瞬断区取样,用扫描电子显微镜试验分析其微观形貌,结果如图9 所示。从图9(a)可见,裂纹源区形貌已被磨损破坏。从图9(b)可见,裂纹扩展区存在疲劳辉纹,这是疲劳开裂的典型特征[5];从图9(c)可见,瞬断区微观形貌为韧窝。

2.4 断裂失效原因综合分析

断裂顶驱保护接头材料的理化性能试验结果表明,其材料的化学成分、抗拉强度、屈服强度、伸长率、纵向冲击功单个值及壁厚中心布氏硬度值均符合技术规格书的要求,纵向冲击功平均值及外壁布氏硬度值不符合技术规格书的要求,其材料的金相组织为回火索氏体。

宏观分析结果表明,该断裂顶驱保护接头台肩面存在挤压痕述,由此说明该接头上扣扭矩较大,其螺纹被挤压并发生了变形,螺纹表面存在挤压棱边。该顶驱保护接头螺纹根部倒角处过渡部位为尖锐形状。测量该过渡圆弧曲率半径,分别为120.37 μm(即0.12 mm)及 79.64 μm(0.08 mm)。依据API Spec 7-2—2017标准的要求,与该顶驱保护接头螺纹型号相同的钻铤的外螺纹根部过渡圆弧半径应为1.6±0.4 mm,由此可知,该顶驱保护接头螺纹根部过渡圆弧半径较小,从而使该螺纹根部的应力集中显著增加。另外,该顶驱保护接头的螺纹导向面、承载面以及螺纹牙根部均存在一层马氏体白亮层。因此,由于该顶驱保护接头螺纹根部存在较大的应力集中及马氏体组织,所以在使用过程中其螺纹根部产生了裂纹[6]。

该顶驱保护接头连接于对开门吊卡上并位于井口处,在钻进过程中,钻柱会受到拉伸、扭转、振动和弯曲等复杂载荷,因而顶驱保护接头也受到拉-压循环交变载荷,从而使其螺纹根部的裂纹在钻井过程中逐渐疲劳扩展[7-9],最终发生了失稳断裂。图2(b)中的断口宏观形貌存在贝纹线及图9(b)中的断口微观形貌存在疲劳辉纹也说明顶驱保护接头断口上的平坦区域是裂纹疲劳扩展区。

对同批次未使用的顶驱保护接头螺纹参数进行了检测,结果表明这些未使用的顶驱保护接头的螺纹参数合格,因而说明断裂失效的顶驱保护接头螺纹根部存在较大的应力集中及马氏体组织的原因是上扣时扭矩过大。

综上所述,断裂顶驱保护接头为疲劳断裂,其疲劳裂纹源位于螺纹根部圆弧处,此螺纹根部圆弧部位在较大的上扣扭矩载荷作用下发生了摩擦磨损并形成了马氏体层和脆性开裂微裂纹,这些裂纹在钻井过程中逐渐疲劳扩展,最终该顶驱保护接头发生了失稳断裂[10]。

3 结论与建议

1)断裂顶驱保护接头材料的化学成分、抗拉强度、屈服强度、伸长率、纵向冲击功单个值及壁厚中心布氏硬度值均符合技术规格书的要求,纵向冲击功平均值及外壁布氏硬度值不符合技术规格书的要求,其材料的金相组织为回火索氏体。

2)断裂顶驱保护接头为疲劳断裂,其疲劳裂纹源位于螺纹根部圆弧处,此螺纹根部圆弧部位在较大的上扣扭矩载荷作用下发生了摩擦磨损并形成了马氏体层和脆性开裂微裂纹,这些裂纹在钻井过程中逐渐疲劳扩展,最终该顶驱保护接头发生了失稳断裂。

3)建议钻井现场对顶驱保护接头螺纹上扣连接时按照标准规定的上扣扭矩进行上扣作业。