无磁钻铤盖板槽底裂纹失效分析

无磁钻铤盖板槽底裂纹失效分析

李刚 孙祥玉 郑春 王玮

（中海油服油田技术事业部塘沽作业公司  天津市  300451）

摘要：本文描述了无磁钻铤在井下使用中，钻铤小盖板槽底发生刺漏失效问题的研究以及提出相应的解决办法。在本次研究过程中，对实验样品进行断口宏观与微观分析、化学成分测试、硬度、常规力学性能检验、显微组织与非金属夹杂物等实验，并结合以往钻铤失效分析经验对本次刺漏钻铤进行失效机理研究，得出分析结论，给予相应的分析和解决方法。

关键词：无磁钻铤；刺漏失效；断口分析；裂纹

一、概述

2022年4月，无磁钻铤小盖板槽底发生刺漏失效，钻铤井下使用时间约2000h，循环时间1562h，平均转速100r/min，作业前已按照体系执行L2常规维保［1］。无磁钻铤用原材料是高氮铬锰不锈钢1515-HS MAX。为寻找钻铤盖板处刺漏失效的原因，为后续生产维护做出科学指导，在本次研究过程中，涉及断口宏观与微观分析、化学成分测试、硬度、常规力学性能检验、显微组织与非金属夹杂物等实验，并结合以往钻铤失效分析经验对本次刺漏钻铤进行失效机理研究。

二、实验样品与实验方案

本次送检的刺漏钻铤仪器线路已基本拆除，为保护断口形貌，刺漏裂纹所在槽底采用线切割方式切除。

本报告采用的实验方法与仪器设备表1所示：

表1 试验方案

三、试验结果与分析

1. 断口宏观分析结果

对纵向剖开的盖板槽段内流道进行检验，观察到本次刺漏裂纹长度约16mm（裂纹中间宽两头窄）。同时，在钻铤内流道发现多处冲刷腐蚀坑。此外，内流道未发现其他可见缺陷。

图1 内流道特征形貌

用线切割将刺漏处裂纹沿着径向切开，可见盖板槽底边无倒角及裂纹清晰走向见图1。刺漏处钻铤壁厚最小处测量值为17.7mm，经超声清洗后显示出洁净的两匹配断口。断口平直，断面大致与槽底部呈直线，只是靠近槽底呈弯月型的小区域（即裂纹源区）其断面与槽底面呈10度角，裂纹源不在通孔边缘，是沿着槽底的加工刀痕线性分布，源区相比扩展区颜色略深，有多条放射棱线指向槽底加工刀痕，断面上隐约可见垂直于放射棱线的疲劳弧线。槽底部及源区附近未见明显的点状腐蚀，根据钻铤承受复杂交变应力及断面宏观形貌，可以判定此断口为疲劳断口。

2. 断口微观形貌与EDS能谱分析

用扫描电子显微镜观察疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌，用X射线能谱仪分析微区成分。放射棱线源自槽底边缘，指示出疲劳源出自槽底表面，垂直放射棱线有多条疲劳弧线，疲劳源沿槽底呈线性分布，其中的一处疲劳源，围绕着该疲劳源有一条明显的疲劳弧线，用X射线能谱仪对源区进行微区成分分析，分析结果除正常元素外，还含有腐蚀性元素1.35%S和0.74%Cl，可以看出多个疲劳源起源于槽底部加工刀痕，刀痕宽10μm，相比上次的钻铤刺漏失效件，此次源区附近的刀痕更加明显，对疲劳起源的贡献更大些。源区附近未见明显的腐蚀坑（上次源区多腐蚀坑）。继续对疲劳扩展区观察，可以找到许多微观疲劳特征，即脆性疲劳条带或疲劳二次裂纹。在疲劳扩展区还可见到较多的腐蚀产物，考虑到断裂源区，即盖板槽底部未见明显的腐蚀坑只有加工刀痕，断口受到钻铤刺漏后钻井液的影响，钻铤盖板槽密封良好理论上不具备腐蚀条件这几种情况，经过综合研判，本次钻铤刺漏是由盖板槽底边无倒角的应力集中区叠加加工刀痕因素所诱发的疲劳开裂，未发现钻铤1515HS-MAX不锈钢材质方面的明显问题，主要原因还是盖板槽底边持续承受应力，疲劳损耗造成无磁钻铤的机械损伤。

3. 4.3钻铤化学成分分析

采用SPECTRO LAB M11直读光谱仪对刺漏钻铤本体进行化学成分测试，检测结果如表2所示，各项化学成分均符合《1515HS-MAX材料技术要求》要求。

表2 钻铤化学成份表（wt%）

4. 4.4 硬度检测

在远离刺漏位置切取布氏硬度试样进行测试，测试结果见表3。本次送检的钻铤硬度值符合《15-15HS-MAX材料技术要求》要求值。

表3 钻铤硬度测试结果(HBW)

4.5拉伸性能

拉伸性能测试试样均取自远离断口的钻铤本体，测试结果见表4，钻铤的屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、断面收缩率Z均符合《15-15HS-MAX材料技术要求》，3#样品的断后伸长率略低于标准要求，其他样品的断后伸长率接近要求下限。

表4 拉伸测试结果

5. 4.6冲击韧性

冲击韧性实验试样取自远离刺漏部位的钻铤本体，测试结果见表5，本次送检的钻铤冲击吸收功符合《15-15HS-MAX材料技术要求》要求值。

表5 夏比冲击试验结果

四、综合分析

综合断口宏观与微观分析结果，裂纹源不在通孔边缘，是沿着槽底的加工刀痕呈线性分布，槽底部及源区附近未见明显的点状腐蚀。微观断口形貌显示放射棱线源自槽底边缘，指示出疲劳源出自槽底倒角处，垂直放射棱线有多条疲劳弧线。在疲劳扩展区有许多微观疲劳特征，即脆性疲劳条带或疲劳二次裂纹。同时还可见到腐蚀产物。经过综合研判，本次钻铤刺漏是由盖板槽底边无倒角的应力集中区叠加加工刀痕因素所诱发的疲劳开裂，是一起起源于小盖板槽底无倒角应力集中区的疲劳失效，加工刀痕叠加槽底直角底部，使得应力集中效应陡增，在复杂井下环境中承受交变载荷，裂纹从加工刀痕处萌生并扩展至刺漏。

参考文献：

[1]张亚军,张欣耀,张云浩.金属材料疲劳裂纹扩展速率 Paris 模型中材料常数的相关性[J].材料开发与应用，2021，36（4）：1-8.

[2]李一磊,李朋洲,姚迪等.金属材料裂纹冲击韧性评定方法研究[J].核动力工程，2021，42（5）：114-118.

[3]邓文亮;成竹;唐虎.复合材料/金属混合结构热应力分布规律[J]. 应用力学学报,2020

[4]孙佳琳.异质材料切口强度边界元法研究[D].合肥工业大学,2018

第 1页