石油钻杆转换接头脆性断裂失效分析
2016-03-23 14:13:05
石油钻杆通过螺纹接头首尾相连，从而实现钻井过程中的扭矩传递以及冷却液传输，是石油勘探及开采过程中的主要设备。钻杆转换接头在钻井过程中工作条件恶劣，是钻杆最容易发生失效的区域，因此它是决定钻杆质量以及使用寿命的关键。钻杆的成形工艺为：圆钢下料→退火→粗车→超声检测→深孔钻→调质→超声检测→半精测→车螺纹→磁粉、着色检测→尺寸检查等。
某公司在生产作业中，钻杆在远未达到平均使用寿命的情况下，在转换接头螺纹根部发生断裂失效。通过对钻杆使用过程进行调查，工人操作符合规范要求，主设备运行状况正常，初步确定断裂失效是由零件本身质量引起的。
对石油钻杆转换接头螺纹根部脆性断裂进行失效分析的理化检测手段包括宏观断口检验、微观断口检验、化学分析、宏观浸蚀、金相检验、回火脆性试验、力学性能试验等。通过理化检测分析可知：
1）从宏观断口上看，失效方式为瞬间脆性断裂，无疲劳断裂特征；
2）从电镜分析来看，断裂源区存在一定面积的沿晶断裂，螺纹根部存在若干微裂纹，这也会导致转换接头的断裂失效；
3）从化学分析结果来看，Mn元素含量过低，对淬透性有一定影响，而Mo含量偏低，会对高温回火脆性抑制不足；
4）从宏观组织观察结果来看，未发现不允许的冶金缺陷；
5）从金相分析来看，非金属夹杂物符合标准要求；显微组织存在带状偏析，组织为贝氏体+回火索氏体；偏析条带内晶界加粗加深，具有一定的回火脆性，相当于潜在的微裂纹；
6）从力学性能试验结果来看，室温冲击功过低，而经过温度相同、保温时间相同，但冷却方式为水冷的回火处理后，冲击功显著提高，这说明该转换接头存在很强的回火脆性。
综合以上因素分析，该转换接头存在高温回火脆性，当转换接头在工作中受到剧烈震动摇摆时，于外螺纹应力集中最大的第一螺纹处产生裂纹而断裂。由此表明：
（1）钻杆转换接头用合金钢材料Mn含量过低，影响淬透性，存在较严重的带状偏析；
（2）钻杆转换接头冲击韧性过低，导致受冲击时在最大应力处产生裂纹；
（3）钻杆转换接头失效的根本原因是回火工艺不当产生了高温回火脆性。
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