40Cr鉆桿接頭的斷裂失效及預防

偏心鉆桿接頭的設計

采用金相分析和掃描電鏡分析方法,分析了鉆桿接頭噴焊耐磨帶脫落原因。結(jié)果表明,基體金屬與合金塊間氣孔和裂紋的存在是導致鉆桿耐磨帶在使用過程中脫落的主要原因,并結(jié)合噴焊工藝提出了預防措施。

通過力學性能測試、化學成分分析、金相檢驗和斷口分析等方法對某井發(fā)生的鉆桿接頭臺肩根部刺漏失效原因進行了分析。結(jié)果表明:材料沖擊功低于標準要求,接頭臺肩根部受到嚴重腐蝕,形成大而深的腐蝕坑,在交變應力作用下,裂紋萌生于腐蝕坑底部,并迅速擴展,最終導致鉆桿接頭發(fā)生早期腐蝕疲勞失效。

本文通過力學性能測試、化學成分分析、金相組織和斷口分析,并結(jié)合受力狀態(tài),對某井φ127mms135鉆桿接頭的縱向刺孔原因進行分析。結(jié)果表明,鉆桿刺孔失效的原因是鉆井液中的腐蝕性介質(zhì)對內(nèi)表面造成嚴重腐蝕,在交變應力作用下,裂紋萌生并迅速擴展,最終導致鉆桿接頭發(fā)生應力腐蝕刺穿失效。

2009年元月江蘇石油勘探局鉆井處外部項目作業(yè)的一口井,在掛φ177.8mm尾管時發(fā)生一起φ127mms135鉆桿接頭外螺紋斷裂,事故得到及時有效的處理。結(jié)合鉆桿的生產(chǎn)、現(xiàn)場使用和取樣分析的情況,對此次φ127mms135鉆桿接頭外螺紋斷裂的機理和原因進行了分析,找到了導致斷裂的原因,并對下一步預防此類事故提出了相應的技術(shù)措施。

針對石油鉆井關(guān)鍵產(chǎn)品高強度鉆桿接頭的使用要求,在保證強度指標要求非常高的前提下,研究摸索增加高溫正火后再調(diào)質(zhì)的工藝方法,以改善接頭材料原始微觀帶狀組織和纖維結(jié)構(gòu),細化晶粒,提高鉆桿接頭的沖擊功,使該產(chǎn)品力學性能達到api標準的要求。

隨著鉆井技術(shù)的進步,要求鉆桿接頭可傳遞更大的扭矩以適應各種復雜的工作環(huán)境,因此對其抗扭性能研究變得尤為重要。為此,設計了一種新型雙臺肩鉆桿接頭。與一般的雙臺肩鉆桿接頭相比,新型鉆桿接頭增加了外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭圓柱孔部分的長度,使得鉆桿接頭可以保證鉆桿在井下傳遞更大的扭矩而不發(fā)生失效。利用有限元軟件建立了api標準接頭和新型雙臺肩鉆桿接頭的有限元分析模型。由有限元計算結(jié)果可知,新型雙臺肩鉆桿接頭的抗扭能力明顯高于api標準接頭,可傳遞更大的扭矩。油田中應用也表明新型雙臺肩鉆桿接頭的性能優(yōu)于api標準接頭。

空氣鉆井因效率高、鉆速快而被廣泛應用于油氣田開采,但高速氣流在鉆桿內(nèi)的顫振及漩渦沖蝕易導致鉆桿的失效與斷裂,尤其是鉆桿公母接頭內(nèi)不連續(xù)處。國內(nèi)外學者大都從有限元角度研究鉆桿自身的應力分布,而對桿內(nèi)流體流動對鉆桿接頭應力荷載方面的研究甚少。筆者基于計算流體動力學方法,建立了空氣鉆井鉆桿接頭處流場的數(shù)學模型,通過數(shù)值模擬研究,得出了不同深度鉆桿接頭處的壓強、流速及剪切應力分布。

文章介紹了等離子弧焊的原理、設備及關(guān)鍵技術(shù);總結(jié)了等離子弧焊的主要特點;提出增加送絲機,組成既可送粉焊接又可送絲焊接的兩用設備。

在每年發(fā)生的鉆桿失效事故中約40%是其內(nèi)螺紋接頭直角臺肩根部的疲勞開裂。對鉆桿接頭水眼結(jié)構(gòu)及其疲勞強度的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)尺寸明顯影響直角臺肩根部的應力水平,直角臺肩根部的壁厚是影響該部位疲勞強度的主要因素。鑒于api標準和我國行業(yè)標準均沒有規(guī)定內(nèi)螺紋接頭的內(nèi)徑尺寸這一狀況,應用力學計算、有限元分析及全尺寸疲勞試驗方法優(yōu)化設計了鉆桿內(nèi)螺紋接頭合理的水眼結(jié)構(gòu)尺寸,現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場調(diào)查均表明這種合理結(jié)構(gòu)接頭的直角臺肩根部不再發(fā)生疲勞刺漏,其疲勞強度大于鉆桿管體。

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要組成部分,而耐蝕性是鉆桿接頭性能的重要指標。通過硫酸銅點滴試驗,研究了磷化液的游離酸度、總酸度、酸比、磷化時間和溫度對鉆桿接頭磷化膜耐蝕性的影響,得出各參數(shù)的最佳范圍。結(jié)果表明:控制磷化液的游離酸度12～15點,總酸度140～170點,酸比10～11,磷化溫度75℃左右,磷化時間20～25min,所得磷化膜耐腐蝕性能最佳。

某井鉆桿在使用中發(fā)生接頭脹大和脫扣事故。采用化學成分分析、力學性能測定、宏觀和微觀組織檢驗、尺寸測量及鉆桿的力學分析等方法對其進行了分析和討論。結(jié)果表明,鉆桿接頭材質(zhì)符合標準要求,鉆桿接頭在使用過程中脹大失效的原因主要是井下扭矩超過了鉆桿接頭的承載能力所致。

鉆桿工具接頭的抗扭強度普遍低于管體,為滿足使用需要,考慮選擇非api雙臺肩高抗扭矩接頭。為此,使用i-deas和marc兩個大型有限元分析軟件,在sgiindig02impactr10000型工作站進行計算機仿真,對s-135鉆桿接頭雙臺肩齒面與臺肩部位應力分布進行分析,并將計算結(jié)果與api標準接頭進行對此。結(jié)果表明,雙臺肩工具接頭的抗扭能力是api標準接頭的1.5倍。

鉆桿及其接頭的早期失效分析與措施研究 [摘要]鉆桿失效表現(xiàn)在三個方面：本體斷裂、刺漏、鉆桿螺紋處失效。本文 將分析并探討鉆桿及其接頭的早期失效類型、失效形式、失效原因，并且根據(jù)分 析原因去尋找應對的方法以及預防的辦法。通過設計優(yōu)化的鉆桿結(jié)構(gòu)，提升鉆桿 質(zhì)量，使鉆桿失效事故發(fā)生的概率下降。 [關(guān)鍵詞]分析原因鉆桿失效優(yōu)化設計預防措施鉆具 0前言 失效分析是分析判斷材料的失效模式、性質(zhì)、原因、研究失效事故處理方法 和預防再失效的技術(shù)活動與管理活動，是一種科學的分析方法。本文將對鉆桿失 效進行分析。鉆桿很容易受到磨損以及腐蝕等問題的影響從而引發(fā)失效事故。而 僅僅是在我們國家的油田之中發(fā)生的鉆桿失效事故就多達數(shù)百起，鉆桿失效不僅 會造成極大的經(jīng)濟財產(chǎn)的損失，并且常常影響到工程的進度，后果十分嚴重。失 敗乃是成功之母，通過研究鉆桿失效，推進提高鉆桿質(zhì)量以及加強研

通過宏觀觀察、金相分析和化學成分分析等方法,對40cr鋼法蘭焊接接頭的斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明,40cr鋼法蘭焊接接頭存在根部裂紋、焊趾裂紋、未熔合和未焊透等焊接缺陷,在應力的作用下,根部裂紋發(fā)生擴展,造成接頭在使用過程中發(fā)生斷裂。焊接工藝及操作不當導致法蘭焊接接頭產(chǎn)生根部裂紋,是其發(fā)生早期斷裂的主要原因,并對焊接工藝提出了改進建議。

鉆桿受到鉆井液的沖蝕會有不同程度的損傷,若在鉆桿接頭部位出現(xiàn)沖蝕坑就可能使鉆桿失效,引發(fā)鉆井事故。鑒于此,通過試驗分析了鉆井液流量、粘度、密度、鉆井液中固相顆粒體積分數(shù)及固相顆粒粒徑對鉆桿接頭沖蝕量的影響規(guī)律。結(jié)果表明,鉆井液密度對鉆桿接頭的沖蝕影響基本可以忽略;鉆井液流量與粘度的增大會導致沖蝕量增大;固相顆粒是造成鉆桿接頭沖蝕的主要原因,固相顆粒體積分數(shù)的增大與粒徑的減小均會導致沖蝕量增加。沖蝕量較大的位置在鉆桿內(nèi)外接頭結(jié)合處、公接頭與鉆桿本體焊接后端臺階處以及公接頭出口處。因此,應在強度等條件允許的情況下,改進鉆桿接頭部分的結(jié)構(gòu)與尺寸,使流動平穩(wěn)地過渡,防止因截面突變而引起渦流的產(chǎn)生或流速的加快,以盡量減少沖蝕量;在鉆井過程中,應當采取切實有效的措施加強對固相的控制。

近年來由于深井、定向井等逐年增多,鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞成為常發(fā)事故。鉆桿接頭的各種縱向開裂屬于低應力脆性斷裂。當接頭橫向材料韌性不足時,任何表面損傷及缺陷如摩擦熱裂紋等,都可作為裂紋源向縱深擴展。應用失效評估圖技術(shù)估算表明,橫向材料v型缺口夏比試樣室溫沖擊功大于100j時,將顯著減少鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞,失效案例統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了這一結(jié)果。

鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭失效的形式主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。其中斷裂失效表現(xiàn)為過載斷裂、低應力脆斷、應力腐蝕、氫脆斷、疲勞和腐蝕疲勞斷裂。它們產(chǎn)生的原因和破壞發(fā)生的特點都不一。文內(nèi)以5個例證分別進行分析,并提出預防的措施。

鉆桿接頭的優(yōu)化處理需要從很多方面進行考慮,這就要求在材料和熱處理方面必須進行嚴格的規(guī)定。這樣才能保證接頭的韌性和強度要求,達到延長壽命的要求。本文結(jié)合鉆桿接頭的損壞原因作了一些分析,提出了相應的處理方法,并對鉆桿接頭進行優(yōu)化設計,來達到增加鉆桿疲勞壽命的的目的。

疲勞損壞是導致礦用鉆桿接頭失效的主要原因之一。以準50的六方形鉆桿接頭為研究對象,采用solidworks建立接頭主要零部件的三維模型,導入ansys對其進行有限元分析。利用42crmo材料的s-n曲線,得到鉆桿接頭的疲勞壽命、應力集中分布情況,為合理地使用礦用鉆桿和進一步的優(yōu)化設計、改進結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

專利號：zl200620044752．9 專利權(quán)人：寶山鋼鐵股份有限公司 設計人：趙鵬

運用有限元分析軟件solidworkssimulation,對螺桿樁機鉆桿內(nèi)、外六方接頭建立了有限元模型,在對其進行靜力學分析的基礎(chǔ)上,以兩種接頭的兩種工況為例,進行強度和疲勞分析對比,提出了鍛熱淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)熱處理的工藝,提高了零件的強度,節(jié)約了材料成本。