127 mm G105钻杆加厚区刺穿失效分析

李方坡,刘永刚,路彩虹,王 勇,王引真

(1.中国石油管工程技术研究院,西安710065;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266555) ①

李方坡1,刘永刚1,路彩虹1,王 勇2,王引真2

(1.中国石油管工程技术研究院,西安710065;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266555)①

通过力学性能测试、化学分析、金相组织和断口分析,对某井«127 mm G105钻杆加厚区刺穿失效原因进行分析。结果表明,钻杆加厚区刺穿失效的原因是管端在礅粗加厚过程中加热温度过高,造成外表面形成厚的脱碳层和氧化层,礅粗变形量过大使得外表面的脱碳层和氧化层在礅粗过程中被挤入管体内部形成条带状分布的折皱缺陷。在钻井过程中交变应力作用下,深折皱底部首先萌生疲劳裂纹,随着裂纹的扩展,最终导致钻杆加厚区发生刺穿失效。

钻杆;折皱;脱碳;疲劳

某钻井公司在四川地区钻井作业过程中,在同一口井连续发生多起罕见的钻杆加厚区刺穿失效事故。经现场调研取样,对钻杆失效原因进行分析。钻杆刺穿部位为管体加厚区,距内螺纹接头端面约为550 mm,现场对该批钻杆进行超声波探伤发现,同批次的300余根钻杆加厚区存在裂纹缺陷。据现场提供资料,该批钻杆已累计完成3口定向井作业,累计进尺约9 000 m。钻井过程中,钻压为40～140 kN,转速为60～90 r/min,扭矩为5～8 kN·m,泥浆p H值为9～10。

1 无损探伤和宏观分析

刺穿失效钻杆样品宏观形貌如图1a所示,刺孔距钻杆内螺纹接头端面的距离约为550 mm,刺孔裂纹周向长度约80 mm,如图1b所示,钻杆外加厚区外表面有明显的折皱,如图2所示。经超声波探伤发现,部分折皱底部存在超标裂纹缺陷。将失效钻杆样品剖开,刺孔位于钻杆内加厚过渡锥面上,内

图1 失效钻杆宏观形貌

图2 失效钻杆表面折皱

图3 失效钻杆刺孔管体内壁形貌

2 力学性能检验

在失效钻杆上取样进行化学成分分析,该失效钻杆的S和P含量分别为0.003 1%和0.007 7%,满足SY/T5561—2008标准[1]要求。从失效钻杆本体上分别取宽度为25.4 mm的全壁厚条形拉伸试样和规格为7.5 mm×10 mm×55 mm的纵向夏比V型缺口冲击试样,拉伸试验条件为室温,冲击试验条件分别为21℃和-20℃。在钻杆加厚过渡区取直径为10 mm的拉伸试样和规格为10 mm× 10 mm×55 mm的纵向夏比V型缺口冲击试样,拉伸试验条件为室温,冲击试验条件分别为21℃和-20℃,试验结果如表1～2,测试结果均为3件平行试样的平均值。结果表明,失效钻杆的拉伸性能和纵向冲击功符合SY/T5561—2008标准。

表1 钻杆管体力学性能

表2 钻杆加厚区力学性能

3 金相组织分析

在失效钻杆存在探伤缺陷部位取样,评定试样材料中非金属夹杂物等级为A0.5,B0.5,D0.5。试样外表面有许多灰色物质条带,在灰色物质条带尖端部位有裂纹萌生,由外表面向内穿晶扩展,如图4所示,采用在扫描电子对灰色物质条带及其尖端裂纹内的物质进行能谱分析,能谱分析结果如图5～6所示,灰色条带的主要组成物质为铁的氧化物,尖端裂纹内的物质主要为铁的氧化物和少量的泥浆组分。对金相试样腐蚀后观察发现,试样外表面分布着一层厚的黑色氧化皮和深度约为0.2 mm的脱碳层,灰色条带根部与试样外表面的厚氧化皮相连,灰色物质周围环绕着明显的脱碳层,脱碳层深度远大于表面脱碳层深度,灰色条带尖端的裂纹两侧无明显脱碳现象,试样基体组织为回火索氏体。由以上金相和能谱分析结果可以确定,试样内的灰色物质条带为钻杆礅粗加工过程中形成的折皱,皱折周围的脱碳层是在礅粗过程中挤入基体内部的。

图4 试样外表面

图5 折皱内物质的能谱分析

图6 裂纹内物质的能谱分析

在失效钻杆刺孔尖端取样进行金相分析,试样外表面裂纹笔直穿晶扩展,裂纹根部开口较宽,两侧存在根须状黑色物质。对金相试样进行腐蚀发现,裂纹根部灰色物质两侧基体组织存在脱碳现象,裂纹前沿组织无异常,具有疲劳裂纹扩展特征[2],如图7～9所示。

图7 试样外表面裂纹形貌

图8 裂纹两侧的脱碳现象

图9 裂纹尖端组织形貌

4 微观断口分析

将刺孔尖端裂纹面打开,在扫描电子显微镜下观察,裂纹断面平坦,呈典型的弧形平台,弧形平台的圆心位于管体外侧,如图10a的B区所示。高倍下观察B区可见规则排列的二次裂纹条带形貌,表面覆盖着一些灰色附着物,如图10b所示,断口表面附着物的能谱分析结果如图11所示,断口表面的主要组成元素为Fe、O、C、Si、Al、Ca和Mn元素,由此可见,断口表面的灰色附着物主要为铁的氧化物和部分泥浆、岩屑的残留物,断口表面的腐蚀主要是氧腐蚀造成的。

图10 裂纹扩展面微观形貌

图11 裂纹扩展前沿附着物的能谱分析

5 综合分析

通过金相组织和能谱分析可以确定,试样外表面分布着一层厚的黑色氧化皮和深度约为0.2 mm的脱碳层,并有大量礅粗加工过程中形成的折皱。折皱根部与外表面的厚氧化皮相连,折皱周围环绕着明显的脱碳层,脱碳层深度远大于表面脱碳层深度,但折皱一侧的脱碳层的横向厚度与表面脱碳层的厚度相当,并且管体非加厚部位无明显的脱碳现象,折皱尖端的裂纹两侧无明显脱碳现象。钻杆管端礅粗加工过程为:轧制管坯→端部加热→礅粗加厚→整管调质,结合钻杆管端礅粗加厚过程,依据金相分析结果可以确定,钻杆在端部礅粗加厚前的端部加热时温度过高,导致表面严重氧化,并发生明显脱碳,在礅粗加厚过程中,由于礅粗变形量过大,将表面氧化皮及氧化皮下的脱碳层组织挤入基体组织内部,从而在加厚部位形成大量深浅不一的折皱,折皱尖端的裂纹是在使用过程中产生的。将刺孔尖端裂纹面打开,断面平坦,呈典型的弧形平台,弧形平台的圆心位于管体外侧。在扫描电子显微镜下观察裂纹扩展前沿部位,可见规则排列的疲劳二次裂纹条带形貌,断口表面的灰色附着物主要主要为铁的氧化物和部分泥浆、岩屑的残留物。结合金相组织和微观断口分析可以确定,钻杆的刺穿失效属于疲劳失效,裂纹起源于钻杆加厚区的折皱底部。

据现场了解的情况,该批钻杆已服役3口定向井,累计进尺约9 000 m,钻杆在服役过程中承受复杂的拉伸、扭转和弯曲载荷[3]。钻杆加厚区折皱的存在不仅破坏了材料的连续性,降低了横截面的有效承载面积,更重要的是,折皱的存在相当于在钻杆外表面预制开口缺陷,折皱尖端产生显著的应力集中效应,另外,折皱前沿的0.2 mm厚的脱碳层也明显降低了材料的疲劳性能[4]。在钻井过程中复杂交变载荷作用下,钻杆加厚过渡区折皱底部首先萌生疲劳裂纹,在随后的钻进过程中裂纹不断疲劳扩展。由于材料冲击功远大于标准要求,韧性较好,阻止裂纹扩展能力较强[5],再加上该钻杆处于距300～400 m位置,所承受的有效拉伸载荷相对较低,所以当裂纹扩展前沿穿透管体壁厚时,钻井泥浆沿裂纹扩展路径迅速刺出,随着泥浆刺孔的形成和扩大,钻井泵压开始下降,随后井队将钻柱提出,因此未导致裂纹快速扩展断裂。

6 结论

1) 钻杆的化学成分、拉伸性能和纵向冲击功符合SY/T5561—2008标准。

2) 钻杆加厚区刺穿失效的原因是管端在礅粗成形过程中加热温度过高,礅粗变形量过大使得外表面的脱碳层和氧化层被挤入管体内部形成条带状分布的折皱缺陷。在钻井过程中交变载荷作用下,深折皱底部萌生疲劳裂纹,导致钻杆刺穿失效。

3) 建议生产厂改善钻杆管端礅粗工艺,避免深折皱缺陷的形成。

[1] SY/T5561—2008,摩擦焊接钻杆[S].

[2] 李方坡,刘永刚,林 凯,等.G105油井钻杆失效分析[J].金属热处理,2009,34(10):94-97.

[3] 刘永刚,林 凯,胡安智,等.复杂深井钻柱的安全性研究[J].石油矿场机械,2008,37(1):17-20.

[4] 王广生,石康才,周敬恩,等.金属热处理缺陷分析及案例[M].北京:机械工业出版社,2007:100.

[5] 李方坡,黄 伟,路彩虹,等.«139.7 mm钻杆内螺纹接头纵向开裂失效分析[J].石油矿场机械,2009,38 (11):49-53.

Pieced Failure Analysis of«127 mm G105 Drilling Pipe Upset

LI Fang-po1,LIU Yong-gang1,LU Cai-hong1,WANG Yong2,WANG Yin-Zhen2
(1.CN PC Tubular Goods Research Institute,Xi’an710065,China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University ofPetroleum,Qingdao266555,China)

The failure causes of«127 mm G105 IEU drilling pipe upset were investigated through mechanical properties testing,optical morphologies and fracture surface analysis.The results showed that drilling pipe upset’s failure reason is the elephant hide and decarburized layer on its out-surface caused by improper heat treatment in forging process.Under the effect of alternating stresses,the cracks first initiated in the deepest position of elephant hide and developed quickly.In the end,they lead the drilling pipe to early pieced failure.

drill pipe;fold;decarburization;fatigue

1001-3482(2010)11-0040-04

TE921.207

A

2010-05-06

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目(2008D-2404)

李方坡(1982-),山东菏泽人,工程师,主要从事油气井管柱的材料开发、失效分析及安全可靠性研究,E-mail:lifangpo@163.com。壁其他部位涂层完好,如图3所示。