石油钻铤开裂失效分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第4期(总第155期)机械工程与自动化No．42009年8月MECHANICALENGINEERING&AUTOMAT10NAug．文章编号：1672—6413(2009)04—0138—03石油钻铤开裂失效分析薛卫东，杨丽景。，卫英慧，侯利锋，李大赵(1．太原市明佳科技发展有限公司，山西太原030024；2．太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原030024)摘要：一根直径为159mm的油田钻铤在使用时发生开裂，通过对失效钻铤进行化学成分分析、金相组织分析、SEM分析及力学性能测试

2、等，研究了该钻铤的失效机制。结果表明：该钻铤失效属于疲劳断裂破坏，疲劳裂纹形成于钻铤内螺纹消失处最后1个～2个螺扣部位，该处存在较大应力集中，同时单位面积受力较大，应力状态复杂，使用过程中容易萌生疲劳裂纹，最终导致裂纹的贯穿。关键词：钻铤；疲劳断裂；失效分析中图分类号：TG111．91文献标识码；A0引言腐蚀，然后在IeizeMM6金相显微镜上进行非金属夹石油钻铤在钻井过程中承受的载荷非常复杂，特杂物、晶粒度、金相组织观察与评定。别是钻铤接头，同时承受内压、外压、轴向载荷、弯依据GB／T228～2002标准要求，沿钻铤轴

3、向取3曲载荷及扭矩的作用u]。1992年对全国油田深井钻柱个同一周向平行试样，在ZDM一30万能试验机上进失效总况的统计结果表明，钻铤的失效频数大致占钻行拉伸试验。柱总失效的48．7l_2]。因此，研究钻铤服役环境和失用线切割方法在钻铤开裂处取样，通过JSM一效机理，对提高钻铤使用寿命，降低钻具失效频率，减6700F扫描电子显微镜观察开裂部位断口形貌。EDS小经济损失，具有重要意义。用于定量分析显微组织中不同区域的组成成分。1试验方法2试验结果从靠近钻铤开裂部位取样，磨去表面层后采用2．1化学成分分析CS一901B型碳硫

4、分析仪和ICP发射光谱仪对开裂钻失效钻铤化学成分(质量分数)分析结果见表1，铤进行化学成分分析。符合GB／T222—1984标准和相关企业标准的要求。对钻铤取样经研磨抛光后用4％的硝酸酒精溶液表1失效钻铤的化学成分元素CMnSPSlCrMoFe实测值0．451．11O．OO20．0l00．221．130．17Ba1．标准值[3]O．42～0．480．75～1．20≤0．030≤0．0300．15～0．300．75～1．2O0．15～0．25Bal_2．2显微组织分析钻铤外表面裂纹清晰可见，位置距内螺纹接头端钻铤失效部位金

5、相组织如图1所示，为回火索氏面129mm，周向长度为146mm。在裂纹出现部位附近体+少量铁素体。按GBLO561—2005标准，评定非金将钻铤剖开(见图2)，发现裂纹正好位于内螺纹接头属夹杂物为A0．5／B0．5／C0．5／D0．5／DS0．5。按最后1个～2个螺纹根部位置，且存在多个裂纹源。在GB6394--2002标准。评定晶粒度为6．5级。纵向剖面上可见明显的裂纹扩展停止线(箭头所指)。2．3力学性能分析断口表面腐蚀虽较严重，但仍可以隐约看到辐射状花钻铤试样力学性能测试结果见表2，符合GB／样由内侧指向外侧。断口

6、外侧平齐，是由于外力作用T228—2002力学性能要求。而发生的瞬时断裂区。2．4断口分析扫描电镜下观察到的断口形貌如图3所示，断口*山西省学术带头人基金资助项目；太原市科技项目基金资助(08121018)收稿日期：2008一ll一18；修回日期：2009—02一i8作者简介：薛卫东(1966一)．男，山西太原人．工程师．硕士，主要从事金属材料失效分析研究。学兔兔www.xuetutu.com2009年第4期薛卫东，等：石油钻铤开裂失效分析·139·裂纹源于内螺纹根部，存在起裂扩展痕迹以及疲劳辉前述试验表明，钻铤的化学成

7、分、力学性能、非纹和二次裂纹。据此初步判断，在钻铤材质、热处理、金属夹杂物级别及晶粒度等指标都符合相关技术要力学性能等指标正常的情况下，失效可能是由于设计、求。加工等过程中的缺陷造成的疲劳破坏。钻铤早期疲劳损坏的原因与钻铤本身的结构形状和应力状态有关。由于钻铤本体比接头的刚性大，所以服役时，工作应力集中在接头部位，特别是在外螺纹接头根部和内螺纹接头底部，此处内外螺纹啮合受力较大，且可能存在沿轴向的间隙，导致受力横截面面积减小，所以在钻铤服役中，裂纹极易从内螺纹根部形成。在交变扭转应力作用下，裂纹扩展并在相邻内螺纹根部形成

8、裂纹，裂纹的扩展和新裂纹源的形成同时进行，因而螺纹内侧裂纹的长度要大于外侧。表2钻铤失效部位试样的力学性能测试结果试样编号屈服强度R抗拉强度R延伸率截面收缩率zMPaMPa1925104016．557．0图1钻铤失效部位的金相组织2925104016．057．03讨论【3930l04016．O57．53．1钻铤失效机