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鉆桿鋼腐蝕疲勞的斷口分析

2018-07-30 17:48:07 作者：本網整理來源：CAE技術聯盟分享至：

首先通過對鉆桿鋼進行了疲勞腐蝕實驗，然后借助于掃描電鏡對S135鉆桿鋼的腐蝕疲勞斷口形貌進行宏觀和微觀分析研究，最后對其斷口形貌形成的影響因素進行討論。結果表明其疲勞斷口是以脆性性為主的多源性斷口，且在不同加載載荷下，腐蝕鉆桿鋼的疲勞斷口主要由粗糙程度差異明顯的疲勞裂紋源區和勞裂紋穩態擴展區與疲勞裂紋瞬斷區組成，在裂紋源區斷面相對光滑，裂紋擴展區斷面相對粗糙，且疲勞裂紋擴展一般萌生于金屬表面。而且隨加載載荷的大小不同，其各區域面積也隨之不同。

1 引言

隨著現代工業的快速發展，當今社會對石油資源的需求越來越大。伴隨著淺部油氣層的長期開采，各大主力油田大多己進入開發的中后期，淺層勘探很難發現大型的油氣資源，因此在今后的油氣勘探中，深井、超深井和大位移井等高難度井將成為國內外各大油氣田增產上儲的主要手段。近年來隨著定向井、大位移井、水平井、深井等高難度井應用的逐年增多，鉆具失效斷裂事故也隨之增加。

鉆具失效在石油鉆井界是普遍存在的。在深井！超深井、大位移井等高難度井鉆井過程中，鉆具的受力狀況復雜，井下環境異常惡劣，處在內、外充滿鉆井液的狹長井眼里工作，通常承受彎曲、擠壓、扭轉、液體壓力等載荷，因此鉆具在井下的運動是一個復雜的動力學系統。鉆井液是由固體、液體和化學處理劑組成的復雜混合液，堿性極強，pH值大多在7-11之間。在鉆井過程中，由于鉆井液及其它腐蝕介質（如硫化氫、二氧化碳等）和復雜交變應力的共同作用，會嚴重降低鉆具的疲勞壽命，使鉆具極易發生腐蝕疲勞斷裂事故。鉆具的腐蝕疲勞斷裂沒有疲勞極限，因此很難預測其疲勞壽命，危害性極大。鉆井過程中鉆具在任何部位斷裂都會造成嚴重的后果，導致油井報廢。美國的統計和估算表明：14%的鉆柱斷裂事故發生在井上，平均每發生一次損失約106000美元，這是正常消耗以外的巨額費用。據統計我國每年必須用數億元人民幣的外匯進口各種規格的鉆桿和鉆挺。

根據管材研究所2003年對國內十幾個油田調查資料統計：全國每年發生鉆具斷裂事故約1000起，其中約70%發生在深井、定向井、大位移井、水平井等高難度井中。在管材研究所1999年到2003年完成的鉆具失效分析中，有72%的事故與高彎曲應力、高摩阻、腐蝕介質等復雜工況有關。在復雜工況下鉆柱主要失效類型為鉆柱腐蝕、鉆柱腐蝕疲勞斷裂、鉆柱接頭摩擦熱縱向開裂、鉆挺螺紋疲勞斷裂以及鉆桿的氫脆等。鉆柱腐蝕疲勞失效，在鉆柱失效中約占40%，且以鉆桿為主。統計表明：在鉆桿失效中，約80%為腐蝕疲勞。由此可見，石油鉆桿鋼的腐蝕和腐蝕疲勞被廣泛關注。

2 研究內容及方法

本文以S135鉆桿鋼為研究對象，在NaCl腐蝕溶液中，通過在疲勞試驗機上加載不同載荷獲得鉆桿鋼試樣，清洗保存；然后采用掃描電鏡（ SEM ）對腐蝕疲勞斷口形貌進行分析，總結鉆桿鋼在不同加載載荷下的腐蝕疲勞規律及斷裂特征。

在實驗加載過程中，為了使腐蝕液對試樣表面有充分的腐蝕，試驗應在低的頻率（低于l.5Hz）下進行，經研究表，因此本試驗采用的載荷頻率為1Hz。腐蝕介質3.5%NaCl,pH值7-8，介質溫度控制在23℃士3℃之間。裂紋長度由讀數顯微鏡測到（精確到0.001mm），疲勞加載試驗機上采用軸向應力控制、正弦波，疲勞試驗采用 3 種不同的應力σ：（1） σ=8KN；（2） σ=12KN；（3） σ=16KN。為了更好的實際工況，在整個試驗進行的過程中，介質箱應始終處于敞開狀態，以利于空氣中的氧分子進入到溶液中，與腐蝕疲勞試樣進行作用。試驗步驟如下：

（1）將S135鉆桿鋼試樣加工成直徑為5mm圓棒狀光滑試樣；并進行清洗、保存等處理；（2）在PLD-100KN型電液伺服疲勞試驗機上進行疲勞試驗，獲得腐蝕疲勞斷口試樣；（3）在JSM6390A型掃描電鏡下進行試樣斷口觀察，分析腐蝕疲勞規律及斷裂特征；（4）得出結論，并進行分析討論。

3 實驗結果

3.1 宏觀斷口形貌分析

如圖1為不同加載載荷下的宏觀斷口形貌特征圖，從圖中可以看出它們均具備了斷口形貌的三大特征區域：疲勞源區、疲勞裂紋擴展區、瞬斷區；同時，經研究表明，在大氣NaCl溶液環境下，斷口表面多表現出點蝕坑的存在（黑色點狀部分），在載荷作用下，斷口中間部位的裂紋沿著試樣斷口表面橫向擴展，而裂紋前沿靠近表面的地方均出現了明顯的宏觀剪切唇，該剪切唇與裂紋面之間的夾角大約為45°。顯然，對于鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗，裂紋面在擴展過程中的取向發生改變，導致腐蝕疲勞裂紋由起初的拉伸模式疲勞裂紋逐漸向剪切模式疲勞裂紋過渡，疲勞裂紋從試樣表面形成，向試樣內部擴展，且由圖2看出，不同載荷下，斷口各區域比例也隨發生變化；從宏觀形貌上分析斷口特征，其斷口附近無明顯的塑形變形，都是脆性斷裂，疲勞裂紋一般萌生于材料表面或靠近表面的位置。

比較圖2中（a）、（b）、（c），在靠近裂紋源處，裂紋放射狀明顯，其后裂紋逐漸稀疏，裂紋擴展速度加快，顯示出快速斷裂的形貌特征，在圖2（a）中有多處疲勞源，表現出多疲勞源特征，而在圖1（b）、（c）中只有一處疲勞源；比較圖1（a）、（b）、（c）斷口區域的比例可以看出：隨載荷的增加，斷口上疲勞裂紋擴展區的面積減小，瞬斷區增大。在圖1（a）中，斷口上的疲勞裂紋擴展區約占整個斷面的 2/3，而在圖1（c）圖中，疲勞裂紋擴展區的面積則占整個斷面的 1/2。

3.2 疲勞裂紋源的微觀斷口形貌特征分析

如圖2為不同載荷下的疲勞源微觀斷口形貌圖，疲勞裂紋一般萌生于材料表面或靠近表面的位置，裂紋從萌生點（點蝕坑）開始（如圖中斷口表層的灰黑色腐蝕層），在擴展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發生擴展方向上的偏離，此后，裂紋開始在各自的平面上繼續擴展。根據相關文獻表明，裂紋在不同的斷裂面相交而形成臺階，這些臺階在斷口上構成了放射狀射線，且裂紋源區大多呈解理形貌；在斷口上，裂紋從萌生點開始，以河流狀花樣向前擴展，在擴展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發生擴展方向上的偏離。此后，裂紋開始在各自的平面上繼續擴展，不同的斷裂面相互交割而形成臺階，這些臺階在斷口上構成了放射狀射線，隨著加載載荷的增加，河流花樣減少，在該區域內觀察不到疲勞條帶。

比較圖2中（a）、（b）、（c），隨著加載載荷的增加，其形貌特征顯著，在圖2（a）中，疲勞源處裂紋放射線相對集中，密度較大，裂紋細小；在圖2（b）中，裂紋放射線密度逐漸發散，且密度隨載荷增大而減小，裂紋形狀也隨之變得細長；而在圖2（c）中，裂紋放射線更加疏散，且裂紋形狀變得粗長。

3.3 疲勞裂紋擴展區的微觀斷口形貌特征分析

如圖3為疲勞斷口的裂紋擴展區微觀形貌圖，在加載載荷下，斷口較為粗糙，且在該區域可以看到大量的小晶面，表明在裂紋擴展區，斷裂方式主要以脆性斷裂為主，同時，在不同載荷下的小晶面呈現不同的高度差，表現為晶面狀形貌，且臺階尺寸也不盡相同；而且在斷口形貌上有部分微裂紋，表明腐蝕疲勞裂紋基本上是在奧氏體晶粒內沿著不同的位向緩慢地以穿晶方式擴展，從而造成解理斷裂，最終在其斷面上形成解理形貌。

比較圖3中（a）、（b）、（c），在不同加載載荷下，可以看出，在裂紋穩定擴展區以解理斷裂為主要特征，可見，在圖3（a）圖中，解理臺階的晶面較小，高度差不明顯；隨著載荷的增加，在圖3（b）中，解理臺階明顯，呈明顯的高度差，且面積增加，在圖3（c）中，斷口表面呈結晶狀，解理臺階高度差更加明顯，且晶面面積較大；由此，隨著加載載荷的增加，擴展區解理形貌差別明顯，其斷口特征主要表現為解理形貌。

4 結論

通過對鉆桿鋼在腐蝕環境中不同加載載荷作用下所獲得的疲勞斷口進行宏觀和微觀的形貌分析，比較了不同載荷作用下的斷口形貌特征，總結以下幾點：

（1）在不同加載載荷下，腐蝕鉆桿鋼的疲勞斷口主要由粗糙程度差異明顯的疲勞裂紋源區和勞裂紋穩態擴展區與疲勞裂紋瞬斷區組成。在裂紋源區斷面相對光滑，裂紋擴展區斷面相對粗糙，且疲勞裂紋擴展一般萌生于金屬表面。

（2）裂紋源區大多呈解理形貌，表現為脆性斷裂；在裂紋源區向裂紋穩態擴展區的過渡區，存在放射狀條紋、塑性亮痕，呈現出脆性斷裂形貌特征；其斷口多表現為解理臺階。

（3）疲勞斷裂過程中，隨著載荷的增大，疲勞源處裂紋放射線密度逐漸減小，且擴展區面積逐漸減小，瞬斷區面積逐漸增大。

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責任編輯：韓鑫

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