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上海蟻霖科學(xué)儀器有限公司

水力振蕩器斷裂失效分析

時(shí)間:2022-3-6閱讀:201
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分析了某油田水力振蕩器振蕩短節(jié)螺紋斷裂失效行為,通過(guò)宏觀分析、理化性能分析、斷口微觀分析、 強(qiáng)度核算等方法,系統(tǒng)的分析了該工具斷裂失效因素,結(jié)果表明,在服役過(guò)程中,由于復(fù)雜的工況和自身材質(zhì)的 影響,導(dǎo)致工具在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生了疲勞損傷,從而萌生疲勞裂紋,裂紋擴(kuò)展直至斷裂。


水力振蕩器作為一種高效的鉆井提速提效專用工 具,越來(lái)越廣泛的用于石油鉆井作業(yè)中,特別是在大位 移井水平井鉆井作業(yè)過(guò)程中起到減摩降阻的作用。它集 機(jī)械剪切、水力和扭轉(zhuǎn)沖擊三種破巖方式于一體,利用 鉆井液驅(qū)動(dòng)內(nèi)部構(gòu)件,將部分流體能量轉(zhuǎn)換成一定頻率、 周向扭轉(zhuǎn)沖擊的能量,并直接傳遞給鉆頭,從而提高鉆井速度。其特殊的工作原理,極易導(dǎo)致在工具局部產(chǎn) 生應(yīng)力集中,在近鉆頭端的鉆柱組合也讓其在斷裂失效 后后續(xù)處理變得更加復(fù)雜,因此有必要對(duì)其斷裂失效進(jìn) 行分析,確定斷裂主因,避免再次發(fā)生。本次失效的為 某國(guó)產(chǎn) 8" 水力振蕩器,失效形式為上部水力振蕩短節(jié)母螺紋斷裂


截取螺紋斷口兩側(cè)樣品共 2 件,為 1 對(duì)匹配斷 口,總長(zhǎng)度為 424 mm,外徑為 202.80 mm,內(nèi)徑為 74.32 mm,斷口距內(nèi)螺紋端面 128 mm,位于內(nèi)螺紋小 端數(shù)第 1~2 扣螺紋部位,斷口 50% 面積顏色較亮,斷 口內(nèi)側(cè)螺紋根部存在應(yīng)力臺(tái)階,斷口擴(kuò)展區(qū)較平坦,局 部擴(kuò)展區(qū)呈扇形,可見(jiàn)貝紋線特征,形貌見(jiàn)圖 1。斷口 附近螺紋底部存在裂紋,在斷口部位取樣,對(duì)其縱截面 研磨拋光,螺紋底部的裂紋形貌如圖 2 所示。

圖片.png

在水力振蕩短節(jié)上取樣,金相顯微鏡下觀察其金相 組織,其內(nèi)層和壁厚中心的金相組織為回火索氏體 + 量貝氏體,外層金相組織為回火索氏體,形貌見(jiàn)圖 3。 進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和晶粒度評(píng)級(jí) [2],結(jié)果如表 4 示。由結(jié)果可知,該水力振蕩短節(jié) C 類夾雜物含量較高, 1 個(gè)視場(chǎng)內(nèi) C 類夾雜物長(zhǎng)度總和為 1 044 mm,評(píng)級(jí) 3.0 級(jí),形貌見(jiàn)圖 4。

圖片.png

宏觀分析表明,該水力振蕩短節(jié)內(nèi)螺紋接頭小端數(shù) 1~2 扣螺紋發(fā)生斷裂,斷口起源于螺紋根部,存在應(yīng) 力臺(tái)階,屬多源疲勞特征;斷口擴(kuò)展區(qū)較平坦,呈扇形, 可見(jiàn)貝紋線特征,均符合疲勞斷裂特征 ;斷口附近螺紋 底部存在較多橫向裂紋,裂紋擴(kuò)展區(qū)較平直,這些裂紋 與斷口平行,與斷口的開(kāi)裂機(jī)理相同。 力學(xué)性能分析表明,該斷裂部件的抗拉強(qiáng)度、屈 服強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率均滿足了設(shè)計(jì)要求,縱向沖擊吸收 功則低于設(shè)計(jì)要求的下限,布氏硬度在 317~326 HB 圍內(nèi)。 金相分析表明,該水力振蕩短節(jié)內(nèi)層和壁厚中心的 金相組織為回火索氏體 + 少量貝氏體,外層金相組織為 回火索氏體,晶粒度正常,為 8.5 級(jí) ;C 類夾雜物含量 較高,為 3.0 級(jí) ;螺紋底部的裂紋存在二次裂紋特征, 這些二次裂紋是沿夾雜物開(kāi)裂的。 微觀分析表明,斷口源區(qū)存在應(yīng)力臺(tái)階,斷口附近 (與斷口處于同一扣螺紋內(nèi))存在與斷面平行的其他裂 紋,斷口擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋。 根據(jù)上述試驗(yàn)分析,可以推知該水力振蕩短節(jié)內(nèi)螺 紋斷裂的失效機(jī)理為疲勞斷裂


內(nèi)螺紋小端數(shù)前三至五扣螺紋區(qū)域承受的應(yīng)力 較為集中,且水力振蕩短節(jié)作為水力振蕩器的主要儲(chǔ)能 釋放結(jié)構(gòu),其本身在整個(gè)工具中也是應(yīng)力集中構(gòu)件,二 者疊加,導(dǎo)致應(yīng)力集中程度加大,這正是該水力振蕩短 節(jié)內(nèi)螺紋接頭從該部位斷裂的原因。(2)該水力振蕩接 頭的 C 類(硅酸鹽類)夾雜物含量較高。夾雜物的存 在導(dǎo)致材料內(nèi)部的不連續(xù)性,存在應(yīng)力集中,尤其是硅 酸鹽類夾雜物端部較尖銳,類似于裂紋等缺陷。在裂紋 擴(kuò)展過(guò)程中,存在較多沿夾雜物開(kāi)裂的二次裂紋,表明 夾雜物對(duì)本次斷裂的擴(kuò)展過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。另外, 該水力振蕩短節(jié)的沖擊吸收功低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限,表 明該斷裂部件的韌性較差,也跟夾雜物含量較高存在一 定的聯(lián)系。(3)該水力振蕩器所服役井身的全角變 化率為 6.55°/30 m,鉆柱在較大全角變化率的井段鉆進(jìn) 時(shí),必然承受較大的交變彎曲載荷,為水力振蕩短節(jié)的 疲勞損傷提供了交變載荷。(4)對(duì)一些提速提效井下動(dòng) 力工具,建議制定合理的檢驗(yàn)周期,尤其是在較苛刻井 況使用時(shí),合理縮短檢驗(yàn)周期,及時(shí)更換缺陷部件。


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