氯离子浓度对钻杆钢门槛区疲劳裂纹扩展性能的影响

摘 要：本文通过对S135钻杆钢疲劳破坏分析的基础上，结合疲劳破坏过程中疲劳裂纹扩展的一般规律，主要研究了不同氯离子浓度下的介质环境对S135钻杆钢疲劳裂纹扩展性能的影响。通过力学性能试验、金相组织观察、扫描电镜断口分析、疲劳裂纹扩展速率分析等方法，探讨了不同氯离子浓度下的介质环境对S135钻杆钢疲劳裂纹扩展性能的影响。

关键词：钻杆钢;疲劳裂纹扩展速率;氯离子浓度;门槛区

1 疲劳的基本定义

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。随着油气勘探地下条件的日趋复杂，在钻井过程中，不得不使用钻井液对钻杆进行相应保护。钻井液或称钻井泥浆，是钻井作业中使用的一种专用流体，是油气钻井工程的一个重要组成部分，具有悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力作用、润滑和冷却等作用。钢在交变载荷和腐蚀环境共同作用下发生的断裂称为腐蚀疲劳断裂。在交变载荷和腐蚀环境的协同作用下，金属结构件往往发生非常严重的机械腐蚀破坏。因而，我们提出钻杆材料在含氯介质中的腐蚀行为研究。本实验主要研究氯离子浓度对钻杆钢门槛区疲劳裂纹扩展性能的影响。在了解钻杆钻井、腐蚀疲劳失效原理的基础上，研究氯离子浓度对钻杆钢腐蚀疲劳性能的影响。为套管钻井的施工和安全提供保障。

2 实验材料

金属材料的疲劳裂纹扩展试验可以采用标准CT试样或标准CCT试样。本次实验采用标准CT试样。

试样厚度：对于CT试样而言，推荐厚度范围为W/20≤

B≤W/4（W≥25mm）;对于CCT试样，推荐试样厚度上限为w/8，所必要的最小厚度要能避免屈曲。试样宽度：为测得有效的试验数据，应根据材料的条件屈服强度σ0.2以及预期的最大应力强度因子的极限值KmaxL和CT试样的a/W或CCT试样的2a/W极限值选择试样的最小可宽度W。试样切口：CT试样的切口长度an应不小于0.2W。CCT试样的切口前缘到中心的距离an应不小于中心孔径的3倍，当采用柔度法测量裂纹长度时，建议中心裂纹长度2an不小于0.2W。试样切口可通过铣切、线切割和其他方法加工而成。本次试验采用的CT试样的尺寸为：W=30，B=4.8，预制裂纹长度a=11。

试样不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的变化。通过选择合适的试样形状和尺寸及合理的试样加工与热处理工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响尽量减小。

疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样的几何形状无关，试样厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率的影响有可能增大、减小或保持不变，因此，对试样的厚度效应应当引起注意。

3 实验方法

3.1 金相试样实验

通过：取样--磨制--抛光--侵蚀的操作流程，观察实验结果。将上面抛光好的试样用预先配置好的4%的硝酸酒精溶液侵蚀，侵蚀时间为2～3s。若侵蚀不足则继续侵蚀;但侵蚀过度时，则需重新抛光，再进行侵蚀。

3.2 材料化学成分分析

检测S135钢的成分，确定材料是否合格，需要测试的成分包括（C，Si，Mn，P，S，Cr，Ni，Cu，Mo，V）。本次试验采用光谱仪测试材料的成分。取材料S135钻杆钢的接箍的部分，光谱仪是依据不同元素的特征XR具有不同的波长这一特点来对检测的XR进行分散展谱，实现对微区成分的分析。因此，利用WDS就可以检测出S135钢的成分，确定其是否合格。

3.3 拉伸试验

拉伸试验的目的和特点：拉伸试验是材料力学性能试验中最普遍、最常用也是最重要的一种试验方法。目的：结构和零部件设计上的需要，材料研究和工艺选择上的需要，出厂检验和进料验收;特点：能够反映材料的基本属性，简单、快捷和可靠。

试验后试样出现两个或两个以上的缩颈以及显示出肉眼可见的冶金缺陷（例如分层、气泡、夹渣、缩孔等），应在试验记录和报告中注明。

3.4 冲击试验

冲击试验使用夏比V型缺口，试样尺寸应为10mm×

10mm×55mm，在长度中部开有2mm深的V型缺口。但是，当坯料尺寸无法满足10mm×10mm×55mm要求时，可加工成7.5mm×10mm×55mm小尺寸的辅助试样。冲击试验方法与其他试验方法相比有3个特点：冲击速度高，约为拉伸速度的103～105倍;冲击试样开缺口;冲击试验的受力状态是试样缺口一面受拉，与之相对的另一面受压。

3.5 疲劳裂纹扩展试验

用最小分度值不大于0.01mm的量具在试样的韧带区域三点处测量厚度B，取算术平均值;用最小分度值不大于0.001mm的量具在试样的裂纹所在截面附近测量宽度W。

预制疲劳裂纹。预制疲劳裂纹的加力要求：预制疲劳裂纹时应使最大力Pmax的误差控制在±5%以内;预制疲劳裂纹最后一级的最大力值不得超过开始记录试验数据时的最大力值;预制疲劳裂纹长度的要求：在前后表面上从切口顶端到疲劳裂纹尖端测量裂纹长度。测量应准确到±0.1mm或±0.002W中较大者，所测各个裂纹长度均应大于0.1B和切口宽度h，但不得小于1mm（W>127mm的试样，测量裂纹长度应准确到0.25mm以内）。

3.6 断口形貌观察

断口分析的方法根据研究手段的不同，断口分析方法分为宏观分析方与微观分析两种：断口的宏观分析是用肉眼、放大镜或低倍率光学显微镜来研究断口的特征;断口的微观分析是使用高倍率光学显微镜（50倍以上）、扫描电子显微镜SEM和透射电子显微镜TEM（可高达几十万倍）来研究断口的特征。本次试验，选用本次试验，采用JEOL-6390A型扫描电镜观察裂纹扩展的形式，试样取自拉伸和裂纹扩展试样断口。

4 检测试验结果

分析上表（表1）试验材料所含合金元素种类及C含量（0.28%），知S135钢为中碳低合金钢。S、P质量分数均小于0.03%，这对于提高强度和断裂韧性均有作用，可见S135钢为优质高强级钻杆钢（API SPEC 5D美国石油学会标准，即磷不大于0.03%，硫不大于0.03%）。检测结果表明试验所用材料符合API SPEC 5D美国石油学会标准的要求。

S135钻杆钢的拉伸性能分析结果显示此材料满足API SPEC 5D标准对S135钢级的性能要求。

各力学性能试验值如下表所示：

，在低浓度时由于腐蚀液的影响较小，我们能清楚地看到裂纹条带和疲劳裂纹，随着浓度的增加，由于腐蚀液在晶面形成的腐蚀杂质可能覆盖在晶体表面，所以我们不能够清楚的观察到断口的形貌。只能根据不同浓度下裂纹扩展速率的大小比较来推测浓度对裂纹扩展的影响。

5 通过试验从中得到的结论如下

①对于S135钢，在其他条件相同时，随着溶液浓度增大，Paris公式中的指数m和C变化并不大;②在Paris区，溶液浓度对疲劳裂纹扩展速率影响不大，相比之下，在3.0%KCL浓度下，相同ΔK下，疲劳裂纹扩展速率更高;③与Paris区相比，氯离子浓度对门槛区裂纹扩展速率影响更显著，且随着浓度的增加，门槛值裂纹扩展速率总体呈先增加后减小趋势，在3.0%KCL浓度下，裂纹扩展速率最高。

参考文献：

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[5]王宝艳.抽油机井管疲劳断裂机理与预防措施的研究[D].杭州：浙江大学，2002.

作者简介：

王超（1982- ），男，山东人，本科学历，助理工程师，研究方向：钻井平台设备维护与管理。