s135鋼級(jí)鉆桿管體斷裂失效分析

s135鋼級(jí)鉆桿管體斷裂失效分析

鉆桿是鉆柱系統(tǒng)的重要組成部分，在傳遞動(dòng)力和輸送泥漿方面發(fā)揮著作用。鉆桿在使用過程中承受彎、扭、拉等復(fù)雜交變載荷的作用,這就要求鉆桿具有良好的綜合力學(xué)性能。如果鉆桿生產(chǎn)時(shí)帶有缺陷,其疲勞壽命在使用過程中將嚴(yán)重下降,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。在鉆桿生產(chǎn)過程中,嚴(yán)格控制鉆桿質(zhì)量對(duì)避免因使用有缺陷產(chǎn)品而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。某鉆具公司在鉆桿生產(chǎn)過程中,發(fā)生兩起S135鋼級(jí)鉆桿管體斷裂事故。為查明斷裂原因,防止此類事故再次發(fā)生,筆者對(duì)典型的斷口取樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)及分析。1鉆桿管體材料S135鋼級(jí)鉆桿管體主要加工工序?yàn)闊o縫鋼管入廠檢驗(yàn)→管端鐓粗→調(diào)質(zhì)處理→矯直→無損探傷。斷裂鉆桿管體材料為27CrMo鋼,規(guī)格為?114.3mm×6.88mm,總長(zhǎng)度約為9m。鉆桿管體斷裂事故發(fā)生在六輥矯直工序,第1支斷裂位置在距管端約4.6m處,第2支斷裂位置分別在距管端約2.6、4.2m處。兩支斷裂鉆桿管體斷口形貌類似,在此取其中一個(gè)典型斷口進(jìn)行詳細(xì)分析。2試驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果2.1斷口周邊構(gòu)造斷裂鉆桿管體典型的斷口形貌如圖1(a)所示,斷口整體較為平齊,瞬斷區(qū)與軸向約呈45°。斷口靠近內(nèi)壁呈暗灰色,無金屬光澤,局部呈淡藍(lán)色,這是由于斷裂時(shí)管體溫度較高(約300℃)導(dǎo)致?？拷獗跀嗝婀饬?且與外壁呈一定角度,屬于最后斷裂區(qū)域。斷口附近無明顯塑性變形,在距斷面約48~140mm區(qū)域,內(nèi)壁存在較多周向裂紋,呈波紋狀分布,見圖1(b),裂紋附近還存在嚴(yán)重氧化起泡現(xiàn)象。斷口附近外壁表面良好,無宏觀裂紋。圖1斷口形貌表明,斷口具有過燒特征。2.2學(xué)成分分析結(jié)果在斷口附近取樣,采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。結(jié)果表明該鉆桿管體化學(xué)成分符合APISpec5DP—2009《鉆桿標(biāo)準(zhǔn)》要求。2.3力學(xué)性能試驗(yàn)在斷口附近分別取板狀拉伸試樣和夏比V型缺口縱向沖擊試樣,拉伸試樣規(guī)格為25.4mm×10.54mm,按照ASTMA370—2010《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義行拉伸試驗(yàn)》。沖擊試樣(3個(gè))規(guī)格為5mm×10mm×55mm,按照ASTME23—07ae1《金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》進(jìn)行。拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2,結(jié)果表明,斷裂管體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率、夏比沖擊吸收能量均符合APISpec5DP標(biāo)準(zhǔn)要求。2.4顯微組織和晶粒度在斷口附近周向裂紋處沿縱截面取樣,裂紋起源于內(nèi)壁,呈龜裂狀沿壁厚方向擴(kuò)展,但并未穿透。在金相顯微鏡下可觀察到,裂紋區(qū)域?yàn)槊芗难鼐ч_裂形貌,晶界存在氧化和熔化現(xiàn)象,見圖2,這說明斷口附近區(qū)域已經(jīng)形成過燒裂紋。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋周邊發(fā)生輕微脫碳,裂紋區(qū)及其附近顯微組織均為回火索氏體,與正常調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織相差不大,見圖3。在較高溫度下S、P等低熔點(diǎn)物質(zhì)首先在晶界發(fā)生偏聚,降低晶界熔點(diǎn),晶界發(fā)生氧化和熔化,形成沿晶過燒裂紋。在靠近斷口處與遠(yuǎn)離斷口處取樣,經(jīng)苦味酸腐蝕后,按照GB/T6394—2002標(biāo)準(zhǔn)《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行晶粒度評(píng)定?？拷鼣嗫谔幍木Я１容^粗大,大小不均勻,局部仍然明顯可見原組織相界,實(shí)際細(xì)小的奧氏體晶粒沿原相界或晶界形核長(zhǎng)大,平均晶粒度為6.5級(jí),見圖4(a)。遠(yuǎn)離斷口處晶粒較小,尺寸較為均勻,平均晶粒度級(jí)別為9.5級(jí),見圖4(b)。金相觀察結(jié)果表明,斷口附近裂紋具有過燒特征,靠近斷口處晶粒遠(yuǎn)大于正常部位的晶粒,該鉆桿管體在調(diào)質(zhì)處理前局部出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。2.5晶粒的二次撕裂形貌在斷口取樣,清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察,見圖5。斷口靠近內(nèi)壁過燒區(qū)域?yàn)楸菭罨?平均晶粒直徑約為100μm,約為正常晶粒的5~6倍,晶粒間已產(chǎn)生二次裂紋,如圖6(a)所示。晶粒表面無光澤,形成很厚一層膜,為氧化鐵膜,如圖6(b)所示?？拷獗谒矓鄥^(qū)主要為平淺且拉長(zhǎng)的細(xì)小韌窩,呈明顯的撕裂形貌,如圖6(c)所示。斷口微觀形貌觀察結(jié)果進(jìn)一步表明,斷口主要為過燒斷口,但整個(gè)壁厚區(qū)域未全部發(fā)生過燒。2.6ds采集位置和定量分析采用Oxford能譜儀對(duì)金相試樣晶界物質(zhì)元素進(jìn)行分析,EDS采集位置和分析圖譜見圖7,可見晶界物質(zhì)含有磷、硫、氧等元素,半定量分析結(jié)果為20.54%O,3.17%P,2.33%S。S、P元素在晶界嚴(yán)重偏析,超出正常范圍100多倍。3微觀形貌要求從斷裂管體的理化性能檢驗(yàn)結(jié)果來看,該鉆桿管體化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合APISpec5DP標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口無塑性變形,表面氧化嚴(yán)重,其微觀形貌主要為冰糖狀沿晶形貌,為石狀斷口?？拷鼣嗫谔幜鸭y為過燒沿晶裂紋,磷、硫等元素在晶界偏析富集,斷口附近晶粒度與正常區(qū)域的相差較大,這表明斷口及其附近區(qū)域已發(fā)生過燒。3.1調(diào)質(zhì)熱處理前過燒的微觀形貌鋼被加熱到接近固相線或固-液兩相溫度范圍內(nèi)的某一溫度后,在十分粗大的奧氏體晶界上發(fā)生磷、硫等元素偏析,在晶界處形成低熔點(diǎn)物質(zhì),三角晶界處首先發(fā)生氧化和熔化,從而在晶界上形成了富硫、磷液相,在隨后的冷卻過程中,形成硫化物、磷化鐵等脆性相的沉積,導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化,受外力作用時(shí)沿晶界開裂。過燒可以導(dǎo)致斷口遺傳,即在過燒情況下,雖經(jīng)再次適當(dāng)加熱淬火消除了粗大晶粒而得到了細(xì)晶粒奧氏體,但在外力作用下斷裂時(shí)仍得到了與原粗大奧氏體晶粒相對(duì)應(yīng)的粗晶斷口。微觀形貌表現(xiàn)為晶粒粗大,晶粒表面已形成氧化鐵顆粒,斷口附近裂紋為沿晶裂紋,S、P低熔點(diǎn)元素已在晶界偏聚。鉆桿管體熱處理方式為批量整體加熱,調(diào)質(zhì)處理最高溫度不超過900℃,斷口及其附近顯微組織均為回火索氏體,斷口過燒裂紋附近的組織晶粒度為6.5級(jí),而遠(yuǎn)離斷口處晶粒度為9.5級(jí),過燒只是局部發(fā)生,推斷調(diào)質(zhì)熱處理前已經(jīng)發(fā)生過燒。經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后,過燒裂紋附近組織為回火索氏體,組織大小程度與正常區(qū)域的組織相差不大,鉆桿管體正常區(qū)域的組織晶粒均勻細(xì)小,而過燒裂紋區(qū)域晶粒仍然粗大。3.2應(yīng)力加熱爐加熱鉆桿管體是由無縫鋼管經(jīng)加厚、熱處理等工序加工而成,管體局部過燒是在原料管(無縫鋼管)生產(chǎn)過程中發(fā)生。無縫鋼管生產(chǎn)工藝主要為:管坯加熱(環(huán)形爐)→穿孔→連軋→中頻感應(yīng)加熱→定徑→矯直。管坯加熱方式為環(huán)形爐整體加熱,加熱溫度可達(dá)到1200~1300℃。如果過燒發(fā)生在管坯加熱過程,則將發(fā)生批量性過燒,輕者在穿孔時(shí)產(chǎn)生大量折疊,重者直接報(bào)廢?？梢酝茢?無縫鋼管局部過熱過燒發(fā)生在定徑前的中頻感應(yīng)加熱過程。連軋脫管后,荒管(注:指連軋脫管后得到的長(zhǎng)管子)的溫度已降低(約950℃),為提高鋼的塑性,創(chuàng)造有利的定徑條件,在感應(yīng)加熱爐中將荒管溫度加熱至1050~1200℃。感應(yīng)加熱爐一共8個(gè),爐身長(zhǎng)度約為0.68m,爐與爐之間的距離約為1.5m。荒管長(zhǎng)度約為18~23m,在高溫狀態(tài)下容易發(fā)生彎曲變形,嚴(yán)重的彎曲變形將影響荒管在感應(yīng)加熱爐中的前進(jìn)速度,導(dǎo)致加熱時(shí)間過長(zhǎng)而發(fā)生過熱過燒。如果過燒嚴(yán)重,在外觀檢查時(shí)可直接從外表面氧化顏色判斷出,更為嚴(yán)重的管子直徑將縮小,形成類似頸縮的特征,或者直接過燒斷裂。如果過燒輕微,但其晶界已經(jīng)發(fā)生一定程度的弱化甚至熔化,而外觀觀察難以區(qū)別。管子調(diào)質(zhì)熱處理后在熱矯直過程中受到的擠壓作用較大,導(dǎo)致過燒薄弱區(qū)域發(fā)生斷裂。4應(yīng)力加熱工序斷裂1)該鉆桿管體化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合AP