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1、钻具失效分析一、 失效分析概论1、 失效的定义部件或零件处于下列状态之一时：l 完全不能工作；l 可以工作，但功能效果不能令人满意；l 受到严重损伤，可靠性、安全性受到影响。2、 失效的过程与分类过程：损伤萌生-积累扩展-破坏。分类：疲劳破裂失效-过程比较长，发展速度比较缓慢； 解理断裂失效-过程短，速度快。3、 失效分析的意义失效分析按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。意义有：l 减少和预防同类失效现象重复发生；l 为技术开发、技术管理、技术改造和进步提供信息、方向、方法和途径；l 为事故责任认定提供科学的技术依据；l 是质量管理
2、中重要组成部分。4、 失效分析的基本思路l 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标；l 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，揭示失效机理。l 在对零部件力学条件、环境条件、产品质量和使用情况进行综合分析基础上，确定造成失效的原因。l 研究失效抗力指标与材料因素、工艺因素、结构因素、载荷与环境及使用因素的关系，提出预防失效再发生的措施。5、 失效分析的程序和步骤失效分析程序图：截取试样金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施现场调查及残骸分析调查加工和服役
3、历史初步观察分析无损检测分析失效（故障）发生宏观断口分析整个失效分析过程应重点抓着以下几个环节：（1） 收集失效件的背景数据。主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。（2） 失效件的外观检查。包括：l 失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等；l 失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等。l 断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。l 观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。l 察看相联件的情况。（3） 断口分析：断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点的资
4、料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到断裂的主要原因。（4） 实验室检测。主要包括：l 化学分析-鉴定材料成分。l 断口分析-用低倍显微镜和立体显微镜从各个角度观察断口表面的纹理和特征。l 金相分析-用金相显微镜分析失效件的显微组织，观察非金属夹杂物，分析组织对性能的影响，检查铸、锻、焊、和热处理等工艺是否合理，从材料内在因素查找失效的原因。l 机械性能实验-对失效件切样进行机械性能实验，检查是否符合性能要求。如冲击功实验、拉力试样、断裂韧性实验等。（5） 综合分析：把所得的所有资料进行综合分析，弄清失效的过程和规律，这是失效分
5、析的重要环节。（6） 提出改进措施：分析的目的不仅仅是找出失效的原因，更重要的是提出针对造成的原因提出改进的措施并进行改进，达到预防和减少失效事故发生的目的。另外还要注意采取辩证的方法进行分析，应具体问题具体分析，善于抓主要矛盾和矛盾的主要方面。因为：l 同样的材质因不同的服役条件，会有不同的失效类型和特征；l 零部件个体性能的差异会导致失效期或使用有效期的差异；l 由于组合装配的差异，导致受力情况的改变，终将成为失效的罪魁祸首。所以还要注意不理想状态或过程积累对失效的影响。二、 钻柱的服役条件及主要失效类型1、 钻柱的工作状态在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻
6、时，钻柱处于受拉状态；钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。在转盘钻进时，钻柱好似一根细长的旋转轴。在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻柱成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。成螺旋形的钻柱在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。（1） 自转-指整个钻柱在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。（2） 公转-钻柱在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，其轴线弯曲成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按
7、转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。（3） 反公转钻柱在自转和公转过程中，由于受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。2、 钻柱的受力分析进行钻柱受力分析，对钻具损坏失效分析很有意义。钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不同的位置作用着不同的载荷。概括起来，钻柱在井内主要受有以下几方面力的作用：（1） 轴向力有钻柱自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压力最大。在钻井液
8、中钻柱受到浮力的作用，轴向拉力会减小；在起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。（2） 径向挤压力 起下钻作业时，卡瓦对钻柱产生的挤压力。管外液柱产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。（3） 弯曲扭矩弯曲力矩是因钻柱上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻柱受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻柱发生弯曲，于是产生弯矩。弯曲的钻柱在绕自身轴线旋转时，就会承受交变的弯曲应力。最大的弯曲应力产生在挠度最大处。（4） 离心力弯曲的钻柱绕井眼轴心旋转时产生的离心力，可使钻柱更加弯曲，使弯曲应力增加。（5） 扭转
9、力矩转盘通过钻柱带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻柱与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻柱承受扭转力矩。由于受到井壁和钻井液摩擦阻力的影响，井口的扭矩比井底大。当在井底使用动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。（6） 钻柱的振动 钻进时，由于地层的软硬不均、井底不平，特别是用牙轮钻头时，牙轮的滚动，引起钻柱纵向振动，使“中和点”上下移动，产生交变的挤压应力。当外界周期的干扰力与钻柱的固有频率相同时，引起共振，出现剧烈的“跳钻”。跳钻会引起钻柱的疲劳破坏。 钻柱的旋转还会使钻具产生两种振动。第一种是由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化引起的扭转振动。当转速达到某一临界值
10、时，钻柱出现扭转共振，即“蹩跳”。第二种是横向振动。这是在转速达到某一临界转速下，钻柱出现的自激晃振摆动，它会引起钻柱的严重偏磨和弯曲疲劳破坏。（7） 动载 起下钻过程中，由于钻柱运动速度的变化，会引起钻柱的纵向动载，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力。动载的大小与操作有关。 由以上分析得知，井口和井底附近的钻柱所承受的拉力、扭矩、弯曲和冲击力等均较大。但上述几种载荷有些是同时出现，使钻柱的受力呈现复杂状态。3、 钻柱的主要失效类型 根据上面对钻柱服役条件的分析，钻柱的受力状态十分复杂，失效的形式也多种多样。既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，且大都是交变载荷。工作时又要受到腐蚀、磨
11、损、温度及压力的影响。归纳起来，主要有过量变形、断裂和表面损伤三类。（1） 过量变形它是由于工作应力超过材料的屈服极限引起的。钻柱的过量变形主要有螺纹部分的拉长，钻杆本体的弯曲和扭曲（即螺旋形弯曲）。其中钻杆本体的弯曲和扭曲比较常见。（2） 断裂 钻柱的断裂时有发生，在钻柱失效中的比例较大，它的危害也严重。断裂主要形式有过载断裂、低应力脆裂、应力腐蚀、氢脆断裂、疲劳断裂和腐蚀疲劳破裂等。l 过载断裂：它是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂及蹩钻时的钻杆管体折裂。l 低应力脆裂：低应力脆裂与表面或内部存在缺陷及不良的显微组织有关，也与受力部位交变频繁受力有关。
12、如焊缝的脆性断裂、钻铤接头螺纹部位脆性断裂。低应力脆性断裂的主要特点是，脆断时的使用应力一般低于其屈服强度；易从应力集中严重处断裂，尤其受到冲击载荷时更为显著；宏观断口齐平，无明显塑性变形。l 应力腐蚀断裂：它是钻柱失效的常见形式。如钻柱在含硫油气井中硫化物应力腐蚀破裂，钻柱接触某些腐蚀介质（如盐酸、盐类）时的应力腐蚀开裂。有经验表明，应力集中处对腐蚀介质的敏感度有增强作用，这对钻具的失效具有不良的促进作用。硬的和脆性钢比韧性钢更容易发生应力腐蚀破坏。l 氢脆：当金属晶格中吸附有过多的氢原子时，在拉应力的作用下可使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的应力腐蚀其本质是由于氢的作用造成的，所
13、以叫氢脆。尤其对高强度钢更是敏感。在川东地区因地层含硫禁止使用高钢级钻杆，推荐使用抗硫钻杆。l 疲劳：一般发生于钻杆内加厚过渡区、钻杆、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。如接头螺纹根部的疲劳断裂（为此曾在螺纹根部端设计应用应力减轻槽），钻杆过渡带疲劳腐蚀刺穿和方钻杆标尺焊疤处材料组织的改变引起的应力集中造成的疲劳腐蚀刺穿。l 疲劳腐蚀：是交変载荷和钻井液等腐蚀介质联合作用的结果，在钻柱失效中约占40%，且以钻杆为主。在钻杆失效中，约80%为腐蚀疲劳。与普通疲劳一样，裂纹产生于应力集中严重部位或一表面腐蚀坑等为萌生裂纹源并扩展。最典型的是钻铤螺纹根部的疲劳裂纹和
14、钻杆过渡带疲劳裂纹刺穿。（3） 表面损伤 包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面。表面损伤比较容易发现和判断。l 腐蚀：均匀腐蚀，它是由于化学或电化学反应造成的金属暴露的全部表面或大部分表面上发生的腐蚀。如钻具锈蚀。点蚀（小孔腐蚀），如钻杆存放或使用过程中内外表面的不均腐蚀，点蚀常常会诱导腐蚀疲劳和应力腐蚀或脆性断裂。缝隙腐蚀，如钻杆内加厚过渡区表面褶皱处的钻井液腐蚀。l 磨损：粘着磨损：如钻具螺纹部位的磨损。磨料磨损：如井壁对钻柱的磨损。冲蚀磨损：如钻柱内外表面及螺纹连接部分受到钻井液的冲蚀损坏。l 机械损伤：如表面碰伤、焊疤、大钳卡瓦及其他工具咬伤 （四）断口分析 钻具横截面多为圆环形，造成断裂的
15、因素很多，所以其断口形貌与典型试件的端口并不完全相同，但其基本特征是一样的。掌握典型试件的断口特征后，就可对钻具断裂事故进行分析并推断其断裂原因。 断口的宏观分析 用肉眼或用放大倍数1-20北的放大镜对端口进行观察。这种方法能全面地观察断口，是断口分析的主要手段。 从宏观分析中大体可以判断出断裂的类型（韧性、脆性和疲劳），同时也可以大体上找出断裂源和裂纹扩展途径，粗略地找出破坏原因。但由于其放大倍数太小，不能细致地观察断口的细节和微观形态。 1、静载下的断口宏貌 1）光滑圆柱形试样 光滑圆柱形试样的静拉伸断口，一般是杯锥状的。由纤维区、放射区和剪切唇所组成。（如图）sfrsrf 图a 光滑圆柱
16、试样的拉伸断口s剪切唇；r放射区；f纤维区 断裂裂纹起源于纤维区，并在此区缓慢地扩展，当达到一定尺寸后（裂纹临界尺寸），裂纹开始快速扩展（或称不稳定扩展）而形成放射区，此时材料由于有效面积的减小，应力状态则由三向应力状态变为二向平面应力状态，最后在平面应力状态的拉伸应力作用下而破坏，形成剪切唇。 （1）纤维区 对于光滑圆柱试样，纤维区往往位于断口中央，成粗糙的纤维状圆环形花样特征。在正应力作用下，由于缩颈而产生三向应力，以最小截面处的轴向应力为最大。这些三向应力对于裂纹的产生有很大影响，某些非金属夹杂物，渗碳体或某些第二相质点，缺陷将促进裂纹的形成。因此裂纹便在这些地方成核长大，裂纹扩展的宏观
17、平面垂直于拉伸应力方向。 对于单相金属，普通碳钢或珠光体钢，首先在缩颈中央形成显微空间，然后空洞长大，聚集而成锯齿状的纤维断口。 对于合金，如强度较高的马氏体，其纤维区则是由杯形剪切背所构成。纤维区中央或接近中央的区域有一个或几个圆锥坑，是裂纹的起始处，即裂纹核心。大量实验说明，裂纹核心总有夹杂物存在。（2）放射区与纤维区相邻的是放射区，有放射花样特征。纤维区与放射区交界线标志着裂纹有缓慢扩展向快速扩展的转化。放射线平行于裂纹扩展的方向，而且垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆向裂纹起始点。放射花样也是有材料的剪切变形所造成，与纤维区不同的是在裂纹达到临界尺寸后，快速低能撕裂，材料的宏观塑性变形量很小
18、，表现为脆性断裂，但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形，所以放射花样是剪切型的低能撕裂的一种标志。（3）剪切唇剪切唇在断裂过程的最后阶段形成。其表面光滑，与拉力方向呈45角。在剪切唇区域中，裂纹扩展也是快速的，但它是在平面应力状态下发生的不稳定裂纹扩展。光滑圆柱试样尺寸由小变大，其放射区增大很快，剪切唇稍有增加，而纤维区几乎不变，可见对一定材料，其裂纹扩展的临界尺寸几乎是一定的。2）缺口圆柱试样其裂纹源位置在缺口处或接近缺口处。裂纹从表面向心部扩展，其破坏区比其它区域要粗糙很多。这是因为裂纹向心部扩展后，心部的应力已由三向应力状态变为平面应力状态而发生韧性破坏的缘故。如果缺口较钝，裂纹源也可能
19、在试样的心部形成。但由于试样表面受缺口约束，所以剪切唇受到很大的限制，甚至不存在剪切唇。2、冲击断口宏貌 冲击断口形貌如下图所示。首先裂纹源在缺口附近形成，然后是纤维区、放射区。由于无缺口一边是受压应力，裂纹又是快速传播的，所以当拉应力区的放射区进入压缩区时，放射区终止，再度出现纤维区，三个自由表面的剪切唇与其相连，连接边呈弧形。有时放射区可能全部消失，而整个截断面只有纤维区和剪切唇两个区域。3、疲劳断口宏貌 疲劳端口一般有疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。 疲劳源是疲劳破坏的起始点。一般常在表面，但如果材料内部存在严重缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成分偏析等，也可能在内部发生。疲劳源有时不
20、止一个，尤其是超负荷疲劳，其应力级较大，断口上常出现几个位于不同深度的疲劳源。 疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征，其特征为贝纹状花样。这些条纹是裂纹前沿扩展时留下的痕迹。从疲劳源开始向四周推进。并与裂纹扩展方向垂直。当裂纹扩展受到阻碍，或在使用过程中应力级改变时，也会在断口上留下相应的贝纹状推进线。在实验室的恒应力试验和低周次的疲劳试验中，这种宏观的贝纹状花纹观察不到。 裂纹扩展区对衡量材料的性能是很重要的，这个区大，表明裂纹临界尺寸大，能较好地抵抗裂纹的扩展。即有足够的断裂韧性。 瞬时断裂区是最后断裂区。是疲劳裂纹达到一定尺寸后，工件的有效面积大为减少，以致不能承受逐渐增大的应力时而断裂
21、。对于脆性材料，瞬时断裂区为结晶状的脆性断口，而对塑性材料，此断裂区是纤维状的塑性断口，表面有剪切唇。 瞬时断裂区的断口形态与工件尺寸有关，当材料一定时，工件截面积愈大，愈容易达到平面应变条件，得到的是脆性断口。 从瞬时断裂区的大小和位置，也能定性地估测工件负荷的大小。一般说，瞬时断裂区面积越大，越靠近中心，则表示工件过载程度越大；相反其面积越小，其位置越靠近边缘，则表示过载程度越小。4、沿晶断裂和解理断裂的宏观特征 沿晶断裂多属于脆性断裂，在一般正常热处理的结构钢中很少发生，只有在手腐蚀介质的作用时，才可能发生沿晶断裂；有时在焊解热影响区或焊缝中，由于“热裂”作用也可能发生沿晶断裂。 解理断
22、裂也属于脆性断裂，在这种断裂中，裂纹主要沿解理面扩展，有时也可在滑移面或晶面上扩展，其断口一般成人字形花样。纯解理断口无人字形，而是结晶断口。在粗晶中则可看到许多强烈反光的小平面，这就是解理平面，所以这种断口又叫结晶状断口。三、钻具失效分析和预防据统计，我国每年发生钻具事故数百起，经济损失数亿元。在钻具失效停用数量中，按多少顺序排列，依次为：腐蚀坑-均匀磨损-卡瓦损伤-偏磨-裂纹-其他。在此，我们结合实际重点讲述钻柱腐蚀与疲劳。钻具的疲劳破坏是最常见的，这种破坏是疲劳发展的一个过程，随着疲劳裂纹的逐渐发展，最终导致拉断、扭断或刺穿。再则，钻井液对钻具有腐蚀作用，所以钻柱的内壁腐蚀比较严重，检测
23、腐蚀和疲劳裂纹的工作难度较大，钻杆管体内壁的潜在危险得不到及时发现，因此，钻杆的刺穿和折断较多，这都与腐蚀和疲劳有关。(一） 钻柱脆性断裂失效分析及预防脆性断裂是指材料断裂前不产生或仅仅产生很小的塑性变形，断裂过程中单位体积所消耗的能量很低的过程。与之相对的韧性断裂，则指断裂前产生显著的塑性变形，单位体积消耗的能量较高的断裂过程。脆性断裂没有任何预兆，往往是突发性的，危害较大。1、 脆性断裂的主要特点l 断裂时的使用应力很低，一般低于屈服强度，故又称低应力脆断。l 易从应力集中区严重处断裂，受冲击载荷，尤为显著。l 宏观断口齐平，结构粗糙，有放射状花纹或人字纹。l 失效事故常常与材料韧性低或使
24、用温度低于其韧脆转变温度有关。l 与构件存在裂纹源（如疲劳裂纹、粘火裂纹等）有关。2、 影响脆性断裂的因素l 应力状态 由于结构设计或焊接工艺不良造成很大的界面突变，出现应力集中或裂纹。 当金属受力开始屈服时，大量的位错在运动过程中，由于受到障碍物的阻挡而被塞集起来，造成巨大的应力集中。如果这个应力集中被变形过程所松弛，则断裂过程被抑制，变形继续进行，材料显示出良好的塑、韧性；反之，这个应力集中是以裂纹的发生和扩展来松弛，则变形过程被抑制，脆性断裂便发生了。 钻具的应力集中区有：台阶、螺纹、加工刀痕、补焊和焊接带来的未焊透和裂纹、淬火裂纹、疲劳裂纹等。l 环境温度、加载速度研究表明，温度降低或
25、加载速度的增大会使材料的屈服强度随之升高，这就意味着断裂前不发生塑性变形，材料处于脆性状态。l 材料api spec 5d要求，钻杆的低温夏比冲击功最小平均值为41j。夏比v型缺口试样的冲击试验不仅可以检验材料的缺口敏感性，而且可以确定材料随温度降低脆性倾向增加的冷脆特性。材料因温度降低由韧性状态向脆性状态转变的现象称为冷脆。钻杆用钢中加入cr、mo、ni可改善钢的耐蚀性。3、 钻具的脆性断裂与预防发生脆断的主要有钻铤、接头等厚壁钻具和焊接构件。发生的主要原因是材料的尖锐缺陷，如疲劳裂纹源、螺纹根部尖角、补焊处、淬火裂纹、点蚀坑等应力集中源和材料的冲击值不足引起。美国chervon公司通过失效
26、分析，提出了钻杆不发生脆性断裂的夏比冲击韧性的经验数据，钻杆室温冲击韧性54j。这可有效避免钻杆因腐蚀或疲劳产生裂纹源后在高压钻井液冲蚀时仅发生刺穿而非断裂。国外也多采用粘透性较好的4140h、36crnimo4（宝钢用）、40crnimo、40crmnmo等材料生产接头。(二） 钻柱疲劳失效分析及预防疲劳失效在交变载荷（应力）作用下，经过长时间（或较多的应力循环周次）运转后所发生的“突然”失效或破坏。钻杆的疲劳失效是最常见的，它是疲劳裂纹的发展过程，最后的形式是拉断、扭断或刺穿等。1、 疲劳机理 在交变应力作用下，在晶体面会产生细小（10-7mm）的滑移带，这些滑移带往往成为萌生疲劳裂纹的区
27、域。疲劳应力越高，强烈滑移带的数目越多，疲劳裂纹形成越早。另外腐蚀环境对疲劳裂纹的产生具有辅助作用，蚀坑也是裂纹源的滋生地。 钻柱在井内钻进时呈现弯曲螺旋状，在弯曲井段旋转的钻柱总要受到交替变化的弯曲应力。钻压的变化、钻柱中和点位置的变化，使中和点附近钻柱承受交变的拉压应力。由于钻头交替接触井底，地层的变化、转盘的旋转等引起纵向振动、横向振动和扭转振动的周期变化的干扰力，也使钻柱受到交变应力的作用。定向井技术的推广、井下事故的处理等使钻柱的疲劳损坏更加严重。 2、 疲劳失效的特点l 断裂突然发生，无明显征兆。l 破断应力低于材料的抗拉强度，而且常常还低于材料的屈服强度。l 在交变应力作用下，一
28、般都在疲劳裂纹扩展到一定长度后失稳而发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形。l 宏观断口一般都有疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区等三个区域。l 对产品表面及材料本身的缺陷高度敏感。疲劳裂纹最易产生在材料最薄弱处。l 反复承受弯曲或扭转载荷，疲劳裂纹多萌生于表面。3、 钻杆疲劳失效分析和预防（1） 钻杆内加厚过渡区刺穿和断裂钻杆内加厚过渡区处的应力集中较大，该处是截面突变处，易发生弯曲，是一个薄弱环节，是疲劳或腐蚀疲劳的危险区。钻杆在交变应力的作用下，该处极易产生裂纹，钻井液在高压作用下穿透裂纹，形成孔洞失效，当刺穿孔洞连成一片时，钻杆的承载能力下降从而导致断裂。失
29、效部位基本都发生于距内外螺纹接头台肩450-550mm处，即内加厚过渡区与管体交界处。有资料研究表明，钻杆内加厚过渡区长度miu越长，钻杆的抗疲劳寿命也越高。如g105钻杆在试验应力幅为300mpa时，miu70mm、r（内锥面与管体交界处的曲率半径）200mm的钻杆疲劳寿命比miu33-37mm、r25-37mm的大8倍以上，比miu70mm、r200mm的大26倍以上。目前，标准尚未对miu、 r做出统一的规定。以下是有关单位对部分国外厂家钻杆miu、 r的测量数据：钻杆生产厂家miu，mmr，mm日本钢管15-350-20日本住友金属35-5010-70新日本制铁40-6550-100德
30、国曼内斯曼40-7060-150（2） 钻杆接头螺纹的疲劳失效钻杆接头螺纹的疲劳失效主要发生在两个区域。一个是内螺纹接头里端的第一个完整螺纹附近（里端2-3牙处），一个是在外螺纹接头台肩侧的第一个完整螺纹附近（大端1-2扣处）。这与螺纹啮合时的应力状态有关。外螺纹与内螺纹接头的啮合是从第三牙（即第一个完整螺纹）开始的，而内螺纹则是从里端第2-3牙处与外螺纹接头啮合的，这两个区域是连接区域内较大应力集中区。钻杆接头螺纹断裂失效相比钻杆管体过渡带刺穿比例要小得多。解决螺纹断裂失效的办法是改变啮合处的应力状态，即加工应力减轻槽，但由于受到加工数量、材料成本的限制，似乎不太现实，因此，到目前为止，尚未
31、见加工有应力减轻槽的钻杆在使用，仅有的是受力复杂的加重钻杆、钻铤。钻杆螺纹断裂原因主要有：l 螺纹根部圆角半径过小，根部应力集中大。l 上扣扭矩过小，外螺纹在弯矩作用下第一完整螺纹啮合处弯曲应力剧增。l 内外螺纹接头追堵无差配合不佳、旋合后刚度不相配合，从而产生应力集中。（3） 钻杆接头吊卡台肩处的疲劳失效钻杆接头吊卡台肩有两种型式：90和18。吊卡台肩处是一截面突变处，尤其当90直台肩过渡圆角半径较小时，应力集中较高，容易发生应力疲劳裂纹刺穿或断裂失效。试验表明，直角台肩处的圆角半径大于6mm时，不容易发生疲劳破坏。当直角台肩处的圆角半径小于5mm时，容易发生疲劳破坏。案例：华北某钻井队在使
32、用5”g105 90钻杆钻进至1800-2500m时接连发生吊卡台肩根部刺穿、断裂6起，后经超声波探伤发现58根钻杆吊卡台肩根部存有裂纹缺陷。该套钻具吊卡台肩根部曲率半径小于5mm，根部应力集中大，服役过程中在交变应力作用下萌生疲劳裂纹，最后导致刺漏。4、 钻铤疲劳断裂失效现场调查表明，钻铤的断裂尤其是钻铤螺纹的断裂在钻铤失效事故中占有相当大的比例。与钻杆接头疲劳断裂一样，不同的是，钻铤螺纹断裂失效几率远远大于钻杆接头，原因主要是钻铤的服役条件比钻杆要复杂。（1） 钻铤疲劳断裂特征l 钻铤的疲劳破坏十分普遍，不同的地区均可发生。但深井地区和地层复杂地区更容易发生。l 钻铤的疲劳断裂与钻杆的疲劳
33、断裂一样，大多发生在井斜变化大、方位变化比较大的“狗腿子”井段及井内。l 钻铤疲劳断裂均发生在接头的螺纹部位。内螺纹接头断裂面一般在距螺纹消失第4-6牙处，外螺纹的断裂面则在接头台肩侧（大端）的第1-2牙附近，即位于内外螺纹连接的最后啮合处。l 钻铤的疲劳断裂裂纹一般起源于螺纹根部，并具有多源特征，与各种因素引起的应力集中增大有关。l 钻铤疲劳断裂与尺寸有很大关系，尺寸越大，越易发生。内外螺纹连接后的弯曲强度比对钻铤的疲劳失效又严重影响。l 钻铤的疲劳失效与钻铤材料的性能有关。低韧性的材料更容易发生早期疲劳失效。l 在苛刻井中，当应力集中较大，结构强度和材料韧性不足时，钻铤的疲劳失效极易发生。
34、（2） 影响钻铤疲劳断裂的因素l 螺纹结构因素-螺纹类型不当造成内外螺纹弯曲疲劳强度不平衡。api rg 7g推荐，平衡连接是弯曲强度比为2.5：1，在钻井条件润需的范围内可在3.2：1-1.93：1之间变化。-不同的螺纹类型，其螺纹牙型及螺纹根部圆角半径是不同的。选用具有较小圆角半径的螺纹类型会在螺纹根部造成较大的应力集中。螺纹类型螺纹牙型及代号螺纹根部圆角半径，mmnc23-nc77平齿顶、圆齿底v-0.038型螺纹0.9652 3/84 1/2reg、 3 1/2fh、4 1/2fh平齿顶、圆齿底v-0.040型螺纹0.5085 1/28 5/8reg、 5 1/2fh、6 5/8fh平
35、齿顶、圆齿底v-0.050型螺纹0.6354fh、2 3/85 1/2if平齿顶、圆齿底v-0.065型螺纹0.381从表中可以看出，数字型（nc）螺纹根部圆角半径较大，应力集中系数较小。l 螺纹的加工质量-螺纹根部形状及圆角半径。-台肩面宽度。-接头完整螺纹长度。-其他螺纹参数。l 外径磨损及内径变大在实际钻井中，由于内螺纹外径磨损比外螺纹内径磨损快得多，结果弯曲强度比相对减小。当弯曲强度比降至2.0：1以下时，可能发生内螺纹疲劳失效祸端不变形胀大直至纵裂。钻铤外径磨损变小和内径变大时，疲劳寿命会下降。l 材料性能影响 钻铤材料性能直接影响弯曲疲劳寿命和失效形式。在一定范围内，钻铤的抗拉强度
36、越高，其弯曲疲劳极限越高。我国钻铤用钢为中碳合金钢。l 扭矩的影响-上扣扭矩。上扣扭矩太小，台肩负荷不够，压不紧工作时易于分离，螺纹根部应力增大，容易发生早期疲劳失效，而且也易失去密封，造成钻井液刺损螺纹和密封台肩面。同时还容易造成二次进扣，导致内螺接头胀大或纵裂，或外螺纹接头危险界面上的应力增高，也易发生早期疲劳失效。上扣扭矩过大，会使螺纹部分的应力集中增大，疲劳寿命降低，也易使密封台肩面擦伤而影响密封性能。-使用扭矩。井下超扭矩会引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效。在深井、超深井、大斜度定向井等苛刻条件下，会严重降低钻铤的使用寿命。（3） 预防钻铤失效的措施l 减小螺纹处的应力集中，改
37、善应力分布。-尽量采用数字型螺纹。-加工应力减轻槽或适当减小螺纹最后啮合处的螺纹牙高，减小螺纹根部本体刚度是提高钻铤疲劳寿命的有效措施。-螺纹滚压强化可使表面产生残余压应力，从而提高疲劳寿命。-螺纹镀铜不但可使表面产生残余压应力，还可改善螺纹啮合后局部产生的高盈利及应力集中。l 按标准加工螺纹，确保加工质量。l 注意钻铤连接部位的结构强度。-在选择螺纹连接类型及内外径尺寸时，是内外螺纹连接后的弯曲强度比近于平衡。-注意外径磨损后的内螺纹弯曲疲劳强度下降问题。l 材料性能应符合要求。p、s含量不大于0。035%，粘脆性要好，热处理应避免回火脆性。l 使用方面，应严格按有关标准和规范要求执行，避免
38、上扣不到位或过紧造成的不良影响。使用标准螺纹脂。(三） 钻柱腐蚀疲劳失效分析及预防腐蚀疲劳-构件在腐蚀介质和交变应力共同作用下导致的破裂失效。它也是钻柱的主要失效形式。在介质作用下，材料的疲劳强度显著下降。几乎所有的环境介质中都发生腐蚀疲劳。真空或纯氮气环境的疲劳寿命明显高于空气介质。腐蚀介质和交变应力的共同作用可以加速腐蚀过程，而腐蚀作用有加速了疲劳过程。应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳裂纹均起源于材料表面。在较强的腐蚀介质和较大的应力条件下，应力腐蚀裂纹可从光滑的表面产生疲劳裂纹，而腐蚀疲劳裂纹无一例外地起源于应力集中处。钻柱的腐蚀主要有点蚀、缝隙腐蚀、腐蚀疲劳、应力开裂和氢脆等。另外还有因存放环境
39、及作业环境的因素呈现的大面积不均匀腐蚀。钻具经使用后内外表面都粘有钻井液，由于内加厚表面过渡区结构的变化造成清洗困难，使得内表面仍残留一些钻井液，在保存过程中不断腐蚀内壁，因此长期存放过程造成的腐蚀比钻井过程中的腐蚀更严重，且呈现方向性-存积钻井液、清洗液的一面。腐蚀的结果使壁厚变薄。承载能力下降，容易造成过载断裂。1、 腐蚀疲劳机理目前比较流行的观点是腐蚀应力集中、选择性电化学侵蚀、端滑膜的开裂、介质吸附和氫致开裂等。l 腐蚀应力集中-认为腐蚀造成的表面蚀坑引起应力集中，促使裂纹萌生。实验表明，腐蚀疲劳裂纹多在半圆形的石坑底部出现，如钻杆的腐蚀疲劳失效即是如此。l 选择性电化学腐蚀-认为腐蚀
40、是一种电化学过程。疲劳过程产生集中变形区，这种区域中的位错组态或杂质沉淀与基体不同，在动态过程中这个变形集中区首先发生阳极溶解(电子）。随着疲劳过程的滑移形态的反复进行，溶解不断进行，从而出现腐蚀沟，引起应力集中导致裂纹萌生。l 钝化膜开裂-认为许多金属都能形成钝化膜，但疲劳过程表面滑移台阶能破坏钝化膜，裸露出的金属在介质中发生阳极溶解，产生腐蚀，形成裂纹。2、 钻杆腐蚀疲劳失效（1）钻杆疲劳失效过程：在腐蚀环境中观体内比产生腐蚀坑-腐蚀坑底产生腐蚀裂纹-以腐蚀裂纹为疲劳远在变动载荷和腐蚀介质作用下裂纹逐渐扩展-局部刺穿-整根管体断裂。大量失效分析中观察到，钻杆腐蚀疲劳失效大都发生在距内外螺纹
41、接头端面内0.5-1米范围内的内加厚过渡区终了处。也有少量中间管体刺穿失效的事例。（2）钻杆过渡区腐蚀疲劳失效原因有：l 墩粗加厚时易产生皱褶、压坑。l 过渡段锥度部分过短且与管体交界处曲率半径太小，造成应力集中。l 该处内径由小变大易造成钻井液涡流或滞流，产生气蚀或由于速度突然减慢，残留钻井液。l 钻杆接头及加厚部分刚性较高，不易弯曲，在狗腿子井段钻杆内加厚过渡区终了处正好是截面突变处，易产生弯曲。l 交变弯曲应力与蚀坑形成叠加，致使蚀坑迅速加深并萌生裂纹。管外过渡区与管内不同，管体比较光滑，且在钻井过程中经常受井壁摩擦，不利于形成蚀坑，在清洗和存放过程中易清洗，无留存，不易发生腐蚀。3、
42、影响钻杆腐蚀疲劳寿命的主要因素（1） 介质腐蚀性的影响钻井液低ph值、高的溶解氧浓度会使钻杆的腐蚀疲劳强度大幅下降。h2s、co2、溶解氧、盐、酸等都是影响钻柱腐蚀疲劳的主要腐蚀介质。而且几种介质同时作用，使腐蚀更加严重。-在大量h2s气侵的情况下，钻井液的ph值会降到4-5左右，产生硫化物应力腐蚀和氢脆。硫化氢腐蚀的主要形态是全面腐蚀和很深的溃疡状腐蚀，在钻柱表面形成形状、大小、深度各异的大量的腐蚀坑河腐蚀条带，导致壁厚变薄、穿孔、破裂。- co2为弱酸性气体，荣誉钻井液后生成弱酸，并电离出h+hco3-co32-，且井筒是高温、高压和高浓度的环境，对钻具形成非常严重的腐蚀。其形态为溃疡状腐
43、蚀，严重时呈蜂窝状。气侵后可使腐蚀。-溶解氧腐蚀是在中性和碱性环境中发生的，而钻井液的ph值大多是中性和碱性。随着氧浓度的增加，腐蚀呈线性增加。它是钻柱使用寿命下降的最主要原因，虽然硫化氢和二氧化碳引起的后果是严重的，但毕竟能造成大量硫化氢和二氧化碳气侵的情况不多，所以最普遍存在钻井液中溶解氧引起的各种形态的腐蚀，如腐蚀疲劳、缝隙腐蚀和点蚀。（2） 钻杆内表面有无内涂耐腐蚀有机材料层。华北有一套g105和e75钻杆，使用5年共打12口井，未发生任何事故，内壁表面光滑、完好，加厚过渡区也未见任何腐蚀。国外80%钻杆都进行内涂防腐。（3） 应力集中及内加厚过渡区结构的影响（前面已述）（4） 井斜度
44、、方位角变化的影响（5） 钻杆轴向拉伸载荷的影响（6） 材料及表面状态的影响（7） 积累疲劳损伤的影响钻杆的疲劳损伤是不能恢复的，在经过若干个不同弯曲井斜段后，其损伤等于每一个弯斜井段产生损伤量的总和。4、 预防钻杆腐蚀疲劳失效的措施根据上述分析，为防止钻杆早期腐蚀疲劳失效，可采取以下预防措施：（1） 推广使用内涂层钻杆。（2） 盖上钻井液性能，保持ph值保持在10或10以上。（3） 清洗内壁，减少留存钻井液对钻杆的腐蚀影响。钻杆存放期最长不超过2年。（4） 及时对钻杆过渡带进行无损探伤，及早发现疲劳裂纹，排除有缺陷的钻杆下井使用。（5） 在满足提升条件的条件下，优先选用低钢级的钻杆。低钢级钻
45、杆对介质腐蚀敏感度比高钢级的低。（6） 采购钻杆夏比冲击功54j。(四） 钻柱其他类型的失效分析及预防1、钻柱的过量变形失效分析常见的钻柱过量变形失效有：外螺纹拉长、内螺纹端口胀大、扭曲变形、顿弯变形、二层台阶、缩径等。变形的原因主要有：在钻井过程中顿钻、卡钻采取的强扭强拉或震击等造成的弯曲、拉长、扭矩过大造成母扣胀大；台阶面不一致形成二层台阶。落鱼事故造成的钻具弯曲。2、钻柱的机械损伤失效分析钻柱的机械损伤通常有表面碰伤、焊疤、大钳或其他工具咬伤。尤其是管体上大钳的咬痕，它通常是纵向开裂或横向断裂的起源地。套铣作业往往容易对钻具表面划伤或偏磨。机械损伤大多在搬运、提升、下方或上卸连接过程中产生，因此预防的主要措施是要严格按照操作规程办事，避免或减轻损伤。3 、钻柱的磨损失效钻柱的磨损失效主要发生在接头外径的磨损变小或偏磨，台阶面变窄，影响密封性能而失效。目前减少接头偏磨的措施主要采取喷焊耐磨带，增强其耐磨性。另一个是接头螺纹的粘着磨损。在润滑不良、上扣扭矩不足或接头连接松动的情况下极易发生粘着磨损
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