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石油鉆桿轉(zhuǎn)換接頭脆性斷裂失效分析

2016-03-23 14:13:05

　　石油鉆桿通過螺紋接頭首尾相連，從而實(shí)現(xiàn)鉆井過程中的扭矩傳遞以及冷卻液傳輸，是石油勘探及開采過程中的主要設(shè)備。鉆桿轉(zhuǎn)換接頭在鉆井過程中工作條件惡劣，是鉆桿最容易發(fā)生失效的區(qū)域，因此它是決定鉆桿質(zhì)量以及使用壽命的關(guān)鍵。鉆桿的成形工藝為：圓鋼下料→退火→粗車→超聲檢測(cè)→深孔鉆→調(diào)質(zhì)→超聲檢測(cè)→半精測(cè)→車螺紋→磁粉、著色檢測(cè)→尺寸檢查等。

　　某公司在生產(chǎn)作業(yè)中，鉆桿在遠(yuǎn)未達(dá)到平均使用壽命的情況下，在轉(zhuǎn)換接頭螺紋根部發(fā)生斷裂失效。通過對(duì)鉆桿使用過程進(jìn)行調(diào)查，工人操作符合規(guī)范要求，主設(shè)備運(yùn)行狀況正常，初步確定斷裂失效是由零件本身質(zhì)量引起的。

　　對(duì)石油鉆桿轉(zhuǎn)換接頭螺紋根部脆性斷裂進(jìn)行失效分析的理化檢測(cè)手段包括宏觀斷口檢驗(yàn)、微觀斷口檢驗(yàn)、化學(xué)分析、宏觀浸蝕、金相檢驗(yàn)、回火脆性試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)等。通過理化檢測(cè)分析可知：

　　1）從宏觀斷口上看，失效方式為瞬間脆性斷裂，無疲勞斷裂特征；

　　2）從電鏡分析來看，斷裂源區(qū)存在一定面積的沿晶斷裂，螺紋根部存在若干微裂紋，這也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換接頭的斷裂失效；

　　3）從化學(xué)分析結(jié)果來看，Mn元素含量過低，對(duì)淬透性有一定影響，而Mo含量偏低，會(huì)對(duì)高溫回火脆性抑制不足；

　　4）從宏觀組織觀察結(jié)果來看，未發(fā)現(xiàn)不允許的冶金缺陷；

　　5）從金相分析來看，非金屬夾雜物符合標(biāo)準(zhǔn)要求；顯微組織存在帶狀偏析，組織為貝氏體+回火索氏體；偏析條帶內(nèi)晶界加粗加深，具有一定的回火脆性，相當(dāng)于潛在的微裂紋；

　　6）從力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來看，室溫沖擊功過低，而經(jīng)過溫度相同、保溫時(shí)間相同，但冷卻方式為水冷的回火處理后，沖擊功顯著提高，這說明該轉(zhuǎn)換接頭存在很強(qiáng)的回火脆性。

　　綜合以上因素分析，該轉(zhuǎn)換接頭存在高溫回火脆性，當(dāng)轉(zhuǎn)換接頭在工作中受到劇烈震動(dòng)搖擺時(shí)，于外螺紋應(yīng)力集中最大的第一螺紋處產(chǎn)生裂紋而斷裂。由此表明：

　　（1）鉆桿轉(zhuǎn)換接頭用合金鋼材料Mn含量過低，影響淬透性，存在較嚴(yán)重的帶狀偏析；

　　（2）鉆桿轉(zhuǎn)換接頭沖擊韌性過低，導(dǎo)致受沖擊時(shí)在最大應(yīng)力處產(chǎn)生裂紋；

　　（3）鉆桿轉(zhuǎn)換接頭失效的根本原因是回火工藝不當(dāng)產(chǎn)生了高溫回火脆性。

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