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试论钻杆接头螺纹断裂失效分析

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年2月作者：焦超

[导读] 钻杆是钻柱重要的组成部分，主要用于传递动力，输送泥浆，需承受各种复杂交变的载荷，如拉压、扭、弯曲等应力，因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力，特别是深井，超深井中，对其钻杆质量要求更高。钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%，它数量最多，长度最大，所面临的失效风险也最大，因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析，以确定断裂主因，探寻解决途径，为钻杆结构优化，提高使用寿命，减少失效风险提供重要依据。

中石化西北油田分公司石油工程监督中心焦超

摘要：钻杆是钻柱重要的组成部分，主要用于传递动力，输送泥浆，需承受各种复杂交变的载荷，如拉压、扭、弯曲等应力，因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力，特别是深井，超深井中，对其钻杆质量要求更高。钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%，它数量最多，长度最大，所面临的失效风险也最大，因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析，以确定断裂主因，探寻解决途径,为钻杆结构优化，提高使用寿命，减少失效风险提供重要依据。
关键词：钻杆接头；螺纹断裂；超深井；结构优化
        分析油田钻杆螺纹断裂失效行为，通过宏观分析、磁粉探伤、金相分析、理化性能测试等方法，系统的分析了作业工况下螺纹失效因素，钻杆材料为 S135 钢级，结果表明，在复杂的工况下和自身材质的影响，受到硫化氢的腐蚀，从而加速了钻杆螺纹的断裂，这种开裂为典型的硫化氢应力腐蚀开裂。
        1.宏观分析
        （1）宏观外貌。本次分析的断裂对象为钻杆双台肩螺纹，失效形式为公螺纹近根部位置断裂。在现场对入井钻杆进行宏观分析取样时，发现公螺纹小端密封台肩面存在大量挤压变形，严重的甚至出现密封面开裂，大端主台肩密封面亦有轻微磨损，根据双台肩接头密封原理和现场发现的现象，可以明确作业过程中螺纹承受的扭矩较大，甚至超过了其屈服扭矩。
        （2）磁粉探伤。对靠近失效钻杆钻柱段，抽取 10根钻杆进行螺纹荧光磁粉探伤，探伤标准执《DS-1 钻柱检测》标准中螺纹荧光磁粉探伤相关要求，结果在近公螺纹根部 1-4 扣内发现多条裂纹缺陷显示，这些裂纹间断相续，最长约 76 mm。
        2.金相分析
        对失效接头上取样进行金相分析，结果显示该接头金相组织为回火索氏体，晶粒度为 8.5 级。夹杂物含量为 A0.0、B0.0、D0.0、Ds0.5，组织正常。
        3.微观分析
        （1）裂纹分析。对磁粉探伤发现的裂纹，取一典型位置，扫描发现裂纹均起源于螺纹牙底表面，长度在0.23~0.69 mm 范围内，其中一主裂纹深约 2.2 mm，这些裂纹均垂直螺纹牙底表面，向基体延伸，呈典型的树枝状沿晶开裂，部分裂纹内发现有暗色腐蚀产物，微观形貌呈现撕裂韧窝特征，且螺纹牙底发现大量点蚀小坑，这些特征都是应力腐蚀开裂裂纹的明显特征。
        （2）能谱分析。对断口进行能谱分析，结果表明从裂纹起始点到消失尖端，腐蚀产物中的，铁元素含量微增加，氧元素含量却逐渐减少。且裂纹多个部位发现有外来 S 元素存在，在裂纹消失尖端其含量达到0.25%，起始处则达到 0.79%，而 API5DP 要求接头硫元素＜ 0.015%，说明裂纹发展过程中均有外来硫元素参与，见表 1。多个元素含量的渐变过程，也真实反应了裂纹由腐蚀点由外向里发展的过程，离表面越近，腐蚀开裂时间越长，元素含量变化越大。
        4.力学分析
        力学性能试验均在室温下进行，试验结果见表 2，可见其接头力学性能符合 API5DP 的要求。硬度测试结果见表 3，发现其接头硬度超过标准最高值，不符合 API5DP 要求。
        5.断裂机理分析
根据微观分析发现，裂纹起始于螺纹牙底表面的点蚀坑，沿晶扩展，整体显分枝状，且内部多有暗色腐蚀产物。扫描电镜观察发现断口微观形貌为沿晶，且表面有腐蚀痕迹，能谱分析其腐蚀产物含 Fe、O、C、Cr、Ni、S 等元素，其中 S 元素远超材质标准要求，且随着
        腐蚀开裂时间越长 S 含量约高，说明裂纹发展的整个过程环境中存在硫化氢，所以裂纹形成机理应为硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）。
        硫化氢应力腐蚀开裂是硫化氢的氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性，在外拉应力和残余应力作用下形成开裂，发生断裂的应力值通常远低于钢的抗拉强度，且研究发现，相同环境中，不同金属发生硫化氢应力腐蚀开裂几率并不一样，但可以确认的是随着金属硬度的升高，就越容易发生。所以整个失效过程，需有三个关键影响因素同时存在，即材料本身性能、硫化氢腐蚀环境和拉应力，而本次失效过程，这三个要素均存在。
材质因素，钻杆接头材质平均屈服强度为1025MPa，拉伸强度为 1126MPa，硬度为 HB357（约HRC37），而研究发现使金属出现良好的抗硫效果，其硬度必须小于 HRC29，所以该钻杆接头本身材质在硫化氢环境中，应力腐蚀敏感度高，易发生硫化氢应力腐蚀开裂。
        环境因素，调查发现失效井地层不含硫化氢，失效井段作业温度约 173 ℃，使用钻井液为含铁铬盐聚磺钻井液。研究发现该类钻井液中的铁铬盐在压力环境下，于 155±5 ℃时开始分解出H2S，在175±5 ℃时H2S量增加，而发生失效井段作业温度，正在其分解高峰温度段，为硫化氢的出现提供了必要条件。
        受力情况，通过前面宏观分析发现该批钻杆公螺纹小端密封台肩面存在大量挤压变形，严重的甚至出现密封面开裂，大端主台肩密封面亦有轻微磨损，可以明确作业过程中螺纹承受的扭矩较大，甚至超过了其屈服扭矩，且钻井过程中，特别是起下钻过程中，钻柱承受了
        较大拉应力，客观上满足了发生应力腐蚀开裂的拉伸应力条件。
        综上，可以知道，作业过程中导致发生硫化氢应力腐蚀开裂的三个条件均满足，因此钻杆接头发生硫化氢应力腐蚀开裂是必然的。

6.结语
（1）通过实验分析，可以明确该钻杆公螺纹断裂为硫化氢应力腐蚀开裂导致。（2）失效发生的主要原因是钻杆接头硬度高于抗硫材料硬度要求，导致其对硫化氢应力腐蚀开裂敏感。（3）钻柱钻进扭矩大，导致台肩密封面损坏，破坏了其密封性能，为硫化氢进入螺纹牙底提供了通道。（4）钻进使用的铁铬盐聚磺钻井液在井底压力和高温作用下，分解出了硫化氢有害物质。（5）起下钻过程中，钻柱承受了瞬间较大拉应力，为硫化氢应力腐蚀开裂提供了受力条件。
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