s135鋼級(jí)鉆桿的腐蝕疲勞性能試驗(yàn)研究

s135鋼級(jí)鉆桿的腐蝕疲勞性能試驗(yàn)研究

導(dǎo)致鉆探桿疲勞的力學(xué)因素是鉆頭彎曲和鉆頭柱的振動(dòng)。人們對(duì)鉆頭振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，建立了鉆孔柱振動(dòng)模型，但對(duì)影響鉆頭桿疲勞的材料因素研究較少。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的鉆桿標(biāo)準(zhǔn)APISPEC5D規(guī)定的性能指標(biāo)不能反映鉆桿抵抗疲勞及腐蝕疲勞的性能,各個(gè)廠商生產(chǎn)的鉆桿雖然其材料性能及結(jié)構(gòu)尺寸都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但疲勞壽命差異很大。所以必須掌握影響鉆桿腐蝕疲勞的材料因素,才能提高鉆桿生產(chǎn)質(zhì)量,從而正確選用性能良好的鉆桿。1鉆具材料腐蝕疲勞試驗(yàn)分析1.1腐蝕疲勞壽命試驗(yàn)鉆桿發(fā)生腐蝕疲勞的環(huán)境是鉆井液,大部分鉆井液含有NaCl,并溶解了大量空氣,pH值為7～11。選用A、B、C、D4個(gè)廠家生產(chǎn)的S135鉆桿進(jìn)行腐蝕疲勞壽命試驗(yàn)。使用板狀光滑試樣,試驗(yàn)機(jī)是英國(guó)MAYES-50E疲勞試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)介質(zhì)是3.5%NaCl水溶液,環(huán)境箱敞開(kāi),以便空氣溶入,應(yīng)力比為0.1,應(yīng)力波型為正弦波,載荷頻率為1Hz。4種鉆桿材料腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,從裂紋萌生到試樣斷裂,鉆桿材料D腐蝕疲勞壽命最長(zhǎng),鉆桿材料A最短。1.2鉆桿材料腐蝕疲勞性能用電子掃描電鏡觀察疲勞斷口微觀形貌,裂源區(qū)表現(xiàn)為穿晶斷裂特征,4種材料的斷口形貌差異不明顯。裂紋擴(kuò)展區(qū)大部分呈現(xiàn)裂紋以穿晶方式周期性擴(kuò)展的疲勞斷口特征,局部可見(jiàn)到裂紋沿晶擴(kuò)展的特征。相比之下,鉆桿材料A的沿晶斷裂程度最大,鉆桿材料B次之,鉆桿材料D最少。斷口形貌說(shuō)明鉆桿材料腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制是陽(yáng)極溶解和氫致開(kāi)裂。在中性和弱堿性介質(zhì)中陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)相互促進(jìn),金屬陽(yáng)離子通過(guò)水解產(chǎn)生H+離子,加速析氫過(guò)程,析出的氫原子擴(kuò)散到金屬晶界,導(dǎo)致金屬沿晶斷裂。裂縫內(nèi)是以氧去極化為主,產(chǎn)生陽(yáng)極溶解,在交變應(yīng)力作用下,裂紋尖端區(qū)的鈍化膜不斷破壞與修復(fù),露出的新金屬不斷溶解與再鈍化。斷口形貌為穿晶斷裂,在斷口上能觀察到疲勞條紋。其中氫致開(kāi)裂導(dǎo)致的沿晶斷裂越多,腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率就越快。這解釋了4種鉆桿材料腐蝕疲勞壽命差異的主要原因(圖1)。2鉆具材料的組成、組織和性能分析2.1鉆桿材料雜質(zhì)元素含量不高鉆桿標(biāo)準(zhǔn)只限制了雜質(zhì)元素S、P的含量。鉆桿材料的化學(xué)成分分析表明,4種鉆桿材料的雜質(zhì)元素S、P含量都低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。鉆桿材料的拉伸性能參數(shù)如表2所示,4種鉆桿材料的拉伸性能差別不大,都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2鉆桿材料試樣酸蝕坑高度從鉆桿管體上橫向截取環(huán)狀試樣,試樣高度為25mm,外徑為127mm,壁厚為全壁厚(9.19mm)。試樣表面的粗糙度不大于1.6μm,清除試樣表面的油污。用1∶1工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行酸蝕試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為60～80℃。酸蝕30min的鉆桿材料低倍組織如圖2所示。鋼的低倍組織酸蝕檢驗(yàn)主要檢驗(yàn)鋼的成分偏析、夾雜物及缺陷。從圖2可以看出,4種鉆桿材料低倍組織明顯不同,鉆桿材料A的成分偏析嚴(yán)重,鉆桿材料B比A輕,而鉆桿材料D成分偏析最輕,組織最均勻。采用金相顯微鏡和圖像分析儀計(jì)算試樣酸蝕坑所占的面積百分比以及最深腐蝕坑的深度。表3為4種鉆桿材料試樣酸蝕坑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表3可知,鉆桿材料A腐蝕坑面積百分比最大,大約為鉆桿D的100倍、鉆桿B的12倍。鉆桿材料A的酸蝕基本以點(diǎn)蝕為主,鉆桿B和C以均勻腐蝕為主,偶爾有一處或幾處點(diǎn)蝕坑的情況,而材料D基本上是以均勻腐蝕為主。2.3材料的組織分布如圖3所示,4種鉆桿材料的顯微組織為回火索氏體及少量上貝氏體,但4種材料的上貝氏體含量不同,材料A最多,而材料D幾乎沒(méi)有。如表4所示,夾雜物含量也是材料A最多,材料D最少。這種組織差異是成分偏析造成的,雖然鋼的成分設(shè)計(jì)可能合理,但成分偏析導(dǎo)致材料各區(qū)域淬透性不一樣,一些區(qū)域出現(xiàn)上貝氏體組織。4種鉆桿材料的顯微組織、晶粒度、夾雜物等都符合國(guó)家、行業(yè)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。3試驗(yàn)分析及斷口分析鉆桿失效分析結(jié)果表明,鉆桿表面首先形成大量小而深的蝕坑,在力學(xué)及化學(xué)因素共同作用下,一些蝕坑萌生裂紋并擴(kuò)展,最終刺穿或斷裂。就光滑試樣而言,腐蝕疲勞裂紋萌生壽命僅占腐蝕疲勞總壽命的10%,裂紋擴(kuò)展壽命則要占90%。以往腐蝕疲勞斷口研究表明,腐蝕疲勞斷口形態(tài)強(qiáng)烈地依賴(lài)于載荷、介質(zhì)及其與材料本身的相互作用。腐蝕疲勞斷口記錄了裂紋尖端局部材料微觀損傷和斷裂的基本特征,這些形態(tài)特征能反映材料本身和外加應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)等因素相互作用的本質(zhì)。4種鉆桿材料疲勞試驗(yàn)的載荷及腐蝕介質(zhì)都是一樣的,只是材料的制造廠家不同,所以試驗(yàn)結(jié)果及斷口形貌反映了影響腐蝕疲勞壽命的材料因素。斷口分析表明,4種鉆桿材料腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理是陽(yáng)極溶解與氫致開(kāi)裂共存,只是這4種鉆桿材料氫致開(kāi)裂的量不一樣,鉆桿材料A氫致開(kāi)裂最嚴(yán)重,而鉆桿材料D很少發(fā)現(xiàn)。氫致開(kāi)裂加快疲勞裂紋的擴(kuò)展,用35CrMo鋼在NaCl水溶液中進(jìn)行疲勞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)斷口有氫脆特征,陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子向裂紋尖端擴(kuò)散,加快了裂紋的擴(kuò)展,由于鉆桿用鋼與35CrMo鋼相似,所以這一研究成果可以用于鉆桿材料。鉆桿的腐蝕疲勞強(qiáng)度受很多因素的影響,鉆井液腐蝕性、鉆柱受力等工況是影響鉆桿腐蝕疲勞的外在因素,內(nèi)在因素有管體加厚幾何形狀、表面狀況等結(jié)構(gòu)因素,以及一系列冶金因素,如顯微組織、晶粒度、夾雜物的數(shù)量和分布等。4種鉆桿材料的組織,特別是低倍組織有較大差異,鉆桿材料A成分偏析嚴(yán)重,夾雜物較多,顯微組織中存在上貝氏體,這種組織導(dǎo)致了兩種結(jié)果:材料在微觀范圍電極電位差別增大,導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)增快,加快了陽(yáng)極溶解速度,同時(shí)氫原子產(chǎn)生速度也增大;氫原子在這種差異大、缺陷多的組織中的擴(kuò)散速度加快,并且聚集氫原子的夾雜物、晶界、相界等缺陷也多,所以導(dǎo)致較多的氫致開(kāi)裂,加快了疲勞裂紋擴(kuò)展速率。而鉆桿材料D由于其成分偏析程度低、夾雜物少、晶粒細(xì)、顯微組織優(yōu)良等因素,因此氫致開(kāi)裂較少發(fā)生,腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率低。徐培元等人研究了冶金質(zhì)量和淬火溫度對(duì)40CrNiMoA鋼腐蝕疲勞性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,電爐鋼的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率均高于真空鋼,原因可能是電爐鋼的純凈度較低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,4種鉆桿材料拉伸強(qiáng)度基本相同,說(shuō)明成分偏析對(duì)材料拉伸強(qiáng)度影響不大,原因可能是鉆桿材料的拉伸斷裂機(jī)理是韌窩型塑性斷裂。Seniw等研究表明,成分偏析對(duì)鋁合金A356疲勞壽命影響很大,但對(duì)拉伸強(qiáng)度影響不大。4鉆桿腐蝕疲勞失效情況某油田擁有大量4個(gè)廠家鉆桿(表5),A廠家鉆桿在短時(shí)間內(nèi)大量出現(xiàn)腐蝕疲勞失效,而其他廠家較少,特別是D廠家鉆桿無(wú)一疲勞失效,而且壽命很長(zhǎng)。經(jīng)低倍組織酸洗檢驗(yàn),A廠家鉆桿成分偏析最嚴(yán)重,而D廠家最輕。這證明成分偏析等反映的材料成分及組織均勻性影響鉆桿腐蝕疲勞壽命。5腐蝕疲勞壽命減少因素(1)酸蝕試驗(yàn)反映的材料低倍組織表達(dá)了成分偏析程度、夾雜物含量及分布、缺陷等冶金