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取2個失效接頭(均為公接頭)編號為1，2號，分別進行宏觀觀察。

圖1 1號鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌

由圖1可見，肉眼無法觀察到1號接頭螺紋上的裂紋，螺紋表面磨損較輕微且存在黃褐色腐蝕產(chǎn)物；接頭大端面有輕微磨損，靠近大端面的螺紋第1，2牙牙面鍍磷層較完整；接頭小端面涂層完好，說明小端面不存在磨損，小端面與接頭副臺肩面無接觸。

圖2 2號鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌

由圖2可見，2號接頭靠近大端面的螺紋第3牙牙底存在一條裂紋，裂紋開口較大且沿著牙底呈周向擴展，由此推斷裂紋已貫穿整個螺紋壁厚；在大端面及靠近大端面的螺紋處存在較嚴重的沖刷腐蝕形貌，這說明主臺肩的密封面未起到密封作用。由1，2號接頭的宏觀形貌可知，接頭螺紋未上扣到位造成主臺肩密封作用較差，同時接頭螺紋第3牙處受到動態(tài)應(yīng)力作用，在牙底產(chǎn)生裂紋，當裂紋貫穿后，鉆桿內(nèi)部高壓鉆井液沿著螺紋牙底從密封端面噴出，由于流速較快，在較短的時間內(nèi)就形成沖刷腐蝕形貌。

將1，2號接頭沿縱向?qū)Π肫书_觀察接頭內(nèi)壁的宏觀形貌。

圖3 1號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌

由圖3可見，1號接頭內(nèi)壁涂層完好，螺紋第3牙和第2牙牙底的裂紋不明顯。

圖4 2號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌

由圖4可見，2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋已經(jīng)貫穿到內(nèi)壁，內(nèi)壁裂紋周長約為130mm，裂紋兩側(cè)的涂層完好；螺紋裂紋從第3牙擴展到第2牙，第3牙和第2牙牙底裂紋深度分別為20，16mm，裂紋開口均位于螺紋牙底承載面一側(cè)。由1，2號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌可知，裂紋起源于螺紋牙底，而且螺紋第3牙牙底裂紋為主裂紋，推斷此處在服役過程中受到的應(yīng)力最大；牙底裂紋在周向擴展的同時向內(nèi)壁徑向擴展，最后貫穿整個壁厚。

采用CDG-6000A/9000A型熒光磁粉探傷機對1，2號接頭進行磁粉檢傷。

圖5 1號接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果

由圖5可見，1號接頭靠近大端的螺紋第3牙和第2牙牙底均有裂紋，第3牙裂紋長度約占螺紋橫截面周長的一半，第2牙裂紋長度約為80mm。

圖6 2號接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果

由圖6可見，2號接頭螺紋第3牙貫穿的裂紋沿著螺紋牙底擴展到第2牙，裂紋周長大于螺紋所在橫截面的周長。

在1號接頭上取樣，按照ASTM E415-08 Standard Test Method for Atomic Emission Vacuum Spectrometric Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel，用ARL 4460 OES型直讀光譜儀進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 1號接頭的化學成分(質(zhì)量分數(shù))％

可見接頭的化學成分符合API SPEC 5DP－2009(R2015) Specification for Drill Pipe對37CrMnMo鋼的要求。

按照API SPEC 5DP－2009(R2015)，在1號接頭上截取規(guī)格為?12.5mm的圓棒拉伸試樣、尺寸為10mm×10mm×55mm的CVN沖擊試樣以及厚度為10mm的條狀試樣。按照ASTM A370－2010 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products采用WAW-600型電液伺服萬能試驗機進行拉伸性能測試，按照ASTM E23-07a Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials采用JBN-300型擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試，按照ASTM E10-18 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials采用DHB-3000型布氏硬度計進行布氏硬度測試。

表2 1號接頭的拉伸性能測試結(jié)果

表3 1號接頭的沖擊性能測試結(jié)果J

表4 1號接頭的硬度測試結(jié)果HB

由表2和表3可見，1號接頭的拉伸性能、沖擊吸收能量和硬度均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)對37CrMnMo鋼的要求。

在1號接頭的大鉗部位、螺紋第3牙牙底裂紋周長的中間部位、螺紋第2牙牙底裂紋周長的中間垂直于裂紋處取樣，試樣經(jīng)過打磨、拋光，用體積分數(shù)為4％的硝酸酒精溶液浸蝕，根據(jù)GB/T 13298－2015«金屬顯微組織檢驗方法»采用GX51型倒置金相顯微鏡分別觀察1號接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織，以及螺紋第3牙牙底裂紋周長中間部位和第2牙牙底裂紋周長中間垂直于裂紋處浸蝕前后的顯微組織。

圖7 1號接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織形貌

由圖7可見，1號接頭大鉗部位的顯微組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級。

圖8 1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋處浸蝕前的顯微組織形貌

由圖8可見，第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口均位于牙底圓弧靠近承載面一側(cè)，裂紋整體走向較平直，第3牙牙底裂紋深度約為4mm，第2牙牙底裂紋深度約為2.5mm。

圖9 1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋開口和尖端浸蝕后的顯微組織形貌

由圖9可見，第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口兩側(cè)組織無明顯變化，仍為回火索氏體，裂紋尖端均較圓頓。

根據(jù)GB/T 13298－2015«金屬顯微組織檢驗方法»，在2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋處取樣，試樣經(jīng)過打磨、拋光，用體積分數(shù)為4％的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用GX51型倒置金相顯微鏡觀察顯微組織。

圖10 2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋不同區(qū)域的顯微組織形貌

由圖10可見，2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋的顯微組織整體形貌與1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋的相似，裂紋開口也位于牙底承載面一側(cè)，裂紋沿內(nèi)壁徑向擴展，深度約為17mm；裂紋開口、中部、近尖端和尖端兩側(cè)的顯微組織為回火索氏體，裂紋內(nèi)部填充有黑色的腐蝕產(chǎn)物且裂紋尖端較細。

分別將1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋和1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋人為打開觀察斷口的宏觀形貌，并采用TESCAN VEGA II XMH型掃描電鏡觀察斷口裂紋尖端的微觀形貌。

圖11 1號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM形貌

由圖11可見，靠近牙底黃褐色部位為裂紋處，銀灰色部位為人為打開處，裂紋尖端(圖11a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物，裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準解理＋韌窩形貌。

圖12 2號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM形貌

由圖12可見，牙底至銀灰色交界的黃褐色部位為裂紋處，銀灰色部位為人為打開處，裂紋尖端(圖12a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物，裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準解理＋韌窩形貌。

由理化檢驗結(jié)果可知，1號接頭的化學成分和力學性能均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)要求。由金相檢驗結(jié)果可知，1號接頭的顯微組織為回火索氏體。由斷口分析結(jié)果可知，裂紋已經(jīng)大部分穿透螺蚊但未立即斷裂，這表明該接頭滿足鉆桿“先刺后斷”的設(shè)計要求，由此排除由接頭材料缺陷造成泥漿沖刷腐蝕導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

鉆桿接頭只有內(nèi)外螺紋參數(shù)相互匹配才能達到理想的連接預(yù)緊效果，內(nèi)外螺紋如果存在錐度、螺距等參數(shù)誤差，也會造成螺紋連接配合不佳和密封臺肩面配合不到位，從而導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)錯扣和粘扣，最終使密封臺肩面失效造成接頭發(fā)生刺漏。但從公、母接頭的宏觀形貌來看，螺紋面并未出現(xiàn)錯扣和粘扣，由此推斷接頭內(nèi)外螺紋匹配良好，由此排除由公、母接頭螺紋參數(shù)不匹配導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

接頭上扣扭矩一般為API推薦的扭矩(非API接頭上扣扭矩為鉆具廠家推薦的扭矩)。雙臺肩接頭正常上扣時，首先公、母接頭的主臺肩發(fā)生接觸，此時公、母接頭和副臺肩存在約為0.25mm的間隙，當接頭上扣實際扭矩達到API推薦的扭矩時，主臺肩會發(fā)生彈性壓縮變形直到副臺肩也發(fā)生接觸。如果接頭上扣實際扭矩低于API推薦的扭矩，將會導(dǎo)致兩種結(jié)果：(1)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋接頭主臺肩面沒有足夠的接觸面壓，鉆井過程中接頭受到拉伸和彎曲載荷作用時，內(nèi)外螺紋接頭的主臺肩面易發(fā)生分離，從而破壞接頭的密封性；(2)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋間配合松散，螺紋疲勞強度下降，從而引起疲勞裂紋。

由2號接頭的沖刷腐蝕形貌可推測出，該接頭在發(fā)生刺漏時，鉆桿中高壓泥漿有兩條流動的循環(huán)回路，如圖13所示(實線箭頭代表由接頭副臺肩面開始的循環(huán)回路，虛線箭頭代表由接頭螺紋牙底貫穿裂紋開始的循環(huán)回路)。

圖13 2號接頭高壓泥漿流動循環(huán)回路示意圖

由圖13可見，由于公、母接頭主臺肩面接觸壓力不足，副臺肩也接觸不良，在拉伸載荷作用下公母接頭副臺肩脫離接觸，泥漿從副臺肩進入螺紋通道。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷的作用下，主臺肩面局部短暫分離，高壓泥漿瞬間從內(nèi)部刺出，副臺肩面也發(fā)生局部沖刷腐蝕。這個時期持續(xù)時間較短，形成的沖刷腐蝕較輕微，這與2號接頭副臺肩面的腐蝕沖刷形貌(見圖2b))一致。

在上扣扭矩不足和拉伸載荷的共同作用下，2號接頭內(nèi)外螺紋間配合松動，螺紋牙底應(yīng)力分布發(fā)生變化，局部應(yīng)力集中加劇，造成螺紋處疲勞強度下降，在該接頭螺紋第2，3牙牙底形成多條疲勞裂紋，這些裂紋由外向內(nèi)擴展，當疲勞裂紋局部穿透后，在拉伸載荷作用下裂紋張開擴大，形成的通道比副臺肩面的間隙要大，此時高壓泥漿液主要從穿透的裂紋進入螺紋通道，極少從副臺肩滲透，最終從失去密封性的主臺肩面沖出。該階段高壓泥漿沖刷腐蝕持續(xù)時間長且破壞性較大，造成接頭裂紋至密封臺肩面之間的螺紋被大面積沖刷腐蝕，且沖刷腐蝕坑較深，最終形成接頭沖刷腐蝕的形貌。