鉆桿接頭失效分析

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1、前言2007年1月底，井下作業(yè)公司在用φ127（接頭NC50）鉆桿發(fā)生失效，失效形式為螺紋缺損，粘著以及接頭密封臺(tái)肩面撕裂性缺損。委托方提供的鉆桿工作參數(shù)為：進(jìn)尺1243m，鉆壓4~6T，泵壓10Mpa，轉(zhuǎn)速80r/min。據(jù)委托方說明該批鉆桿為新產(chǎn)品，第一次使用。事故發(fā)生后，該批鉆桿集中放置于井下作業(yè)工司油管廠場(chǎng)地，經(jīng)查看125根鉆桿中有9組接頭存在損傷，其中嚴(yán)重?fù)p傷2組，呈現(xiàn)螺紋被沖刺缺損，而且其中1組有螺紋粘著、撕毀現(xiàn)象；其余7組存在不同程度的接頭密封臺(tái)肩面黏著撕裂性缺損現(xiàn)象。一、外觀形貌分析1嚴(yán)重失效2組鉆桿外觀形貌如圖1~4所示。螺紋粘著

2、、撕毀圖1第1組外螺紋接頭外觀形貌螺紋粘著、撕毀圖2第1組內(nèi)螺紋接頭外觀形貌沖擊起始區(qū)圖3第2組內(nèi)螺紋接頭外觀形貌沖擊起始區(qū)I沖擊起始區(qū)II沖擊出口I沖擊出口II圖4第2組內(nèi)螺紋接頭外觀形貌如圖所示：第一組鉆桿失效形式為螺紋缺損，粘扣。從缺損形貌可見，圖示內(nèi)外鉆桿接頭對(duì)應(yīng)部位同時(shí)存在對(duì)應(yīng)的螺紋缺損和黏著形貌，因此圖示內(nèi)外鉆桿接頭為工作時(shí)對(duì)接的接頭。外螺紋接頭自密封面起第6、7、8扣粘結(jié)，內(nèi)螺紋自密封面起第4、5、6扣粘結(jié)；從螺紋缺損形貌分析，可以斷定螺紋缺損由高壓鉆井液沖刺造成。第一組鉆桿失效形式為螺紋缺損，從螺紋缺損形貌分析，可以斷定螺紋缺損由高

3、壓鉆井液沖刺造成。2接頭密封面損傷接頭密封面損傷外觀形貌如圖5~6所示。7組接頭密封面存在圖示的撕脫性損傷。撕脫性損傷圖5密封面撕脫性損傷一撕脫性損傷圖6密封面撕脫性損傷二自圖1所示的接頭，按照《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭》之規(guī)定，采取材質(zhì)、機(jī)械性能、硬度及金相試樣，逐個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。二、材質(zhì)分析按照《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭》取樣后經(jīng)直讀光譜分析結(jié)果如下表1：表1鉆桿接頭化學(xué)成分%CSSiMnPCrMoNi0.3760.0030.2610.6950.0061.0680.2761.068《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭

4、》規(guī)定接頭材質(zhì)為合金鋼，且對(duì)S，P作出規(guī)定，含量不超過0.030%，從檢測(cè)結(jié)果看來，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。三、機(jī)械性能按照《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭》取樣后，依據(jù)《GB/T228金屬拉伸試驗(yàn)法》進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表2。表2機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目技術(shù)要求檢測(cè)值結(jié)果1抗拉強(qiáng)度,MPa≥965995,1005,1000符合2屈服強(qiáng)度，MPa≥827屈服不明顯/3伸長率，%≥1316，16符合4夏比沖擊吸收功（-20℃），J≥54118，118，120符合5硬度，HB≥285HB311，306，309，307，309符合從檢測(cè)結(jié)果看來，該鉆桿接頭的

5、機(jī)械性能和基體硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。四、接頭硬度對(duì)外螺紋和內(nèi)螺紋接頭端面進(jìn)行拋光后，使用里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如下：序號(hào)部位標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)定值結(jié)果1外螺紋接頭端面285~341HB326336324327331340338327使用過發(fā)生變化2內(nèi)螺紋接頭端面285~321HB327，338，339，340，334，339使用過發(fā)生變化從檢測(cè)結(jié)果看來，接頭硬度值符合《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭》的要求，內(nèi)螺紋接頭端面使用后造成硬度的變化，不作為原始狀態(tài)的判定依據(jù)，可作為參考數(shù)據(jù)。五、接頭金相組織按照GB/T6394標(biāo)準(zhǔn)和GB/T13298標(biāo)準(zhǔn)

6、于螺紋部位制取金相試樣，并進(jìn)行檢測(cè)分析。行經(jīng)磨制、拋光、侵蝕后，觀察并拍攝照片見圖5?？梢娊M織為索氏體，晶粒均勻，晶粒度小，說明組織正常。圖5鉆桿接頭金相組織照片×400六、螺紋牙形檢驗(yàn)用數(shù)字型梳規(guī)對(duì)接頭螺紋進(jìn)行比較檢驗(yàn)，牙形吻合較好。七、失效原因分析通過以上的分析，鉆桿接頭材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分和金相組織均符合《SY/T5290-2000石油鉆桿接頭》的要求，說明該批鉆桿接頭制造材料和熱處理工藝符合標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭螺紋與梳規(guī)牙形吻合較好，說明螺紋加工符合《GB/T9253.1-1999石油鉆桿接頭螺紋》要求。鉆桿接頭發(fā)生嚴(yán)重的螺紋粘著、撕毀，應(yīng)為

7、連接時(shí)對(duì)扣錯(cuò)位，在較高扭距作用下強(qiáng)行上扣，攻扭所至，鉆桿接頭發(fā)生刺扣，鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成鉆柱旋轉(zhuǎn)速度時(shí)快時(shí)慢，當(dāng)鉆柱突然加速旋轉(zhuǎn)時(shí)，扭矩可能突然增加，因鉆柱與井壁、外螺紋與內(nèi)螺紋間的交互作用使得在接頭處產(chǎn)生很高的熱量，從而螺紋脂從螺紋間隙流出，可能造成密封失效，同時(shí)高壓流體沿著螺紋間隙從管內(nèi)流出，引起刺扣；軸向拉力也會(huì)降低密封能力；上緊扭矩過小，過低的螺紋過盈量也導(dǎo)致較低的密封能力；鉆柱的橫向振動(dòng)使鉆柱承受交變的彎曲應(yīng)力同樣會(huì)造成密封失效；加工誤差，不合理的公差配合也是一個(gè)重要的原因。沖擊出口I沖擊出口II沖擊起始區(qū)I沖擊起始區(qū)II