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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-09-10 20:45
石油鉆桿是一種油田鉆井工具，是石油鉆柱的主要組成部分，鉆井過程中起著連接鉆柱、輸送泥漿和傳遞扭矩等作用，工作時承受壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)雜載荷，并經(jīng)受強烈的振動和沖擊作用。目前石油鉆桿均是由鉆桿接頭和管體經(jīng)摩擦焊焊接而成，焊接后對焊縫區(qū)進行局部調(diào)質(zhì)熱處理。研究發(fā)現(xiàn)，鉆桿焊縫區(qū)的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象最為常見，焊縫區(qū)成為整個鉆桿的薄弱區(qū)域，因此控制焊縫區(qū)的力學(xué)性能是保證鉆桿質(zhì)量的關(guān)鍵，而沖擊韌性是判斷鉆桿焊縫區(qū)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。某公司根據(jù)API SPEC 5DP:2009 Specification for Drill Pipe 采用摩擦焊工藝生產(chǎn)了一批規(guī)格為?168.30mm×15.88mm、鋼級為S135的PSL-3級別的鉆桿，生產(chǎn)后對焊縫區(qū)進行力學(xué)性能抽檢時發(fā)現(xiàn)3個鉆桿的焊縫區(qū)沖擊試樣韌性低，不符合要求。為找到?jīng)_擊韌性低的原因，研究人員對其進行了一系列檢驗和分析。
01沖擊試驗及結(jié)果
按照API SPEC 5DP:2009的要求，隨機取一個鉆桿抽檢該批鉆桿焊縫區(qū)的沖擊韌性，沿焊縫區(qū)縱向取3個尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，該組試樣編號為A1，試驗溫度為-20℃，按照ASTM E23:2018 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials 的技術(shù)要求，使用擺錘式?jīng)_擊試驗機進行夏比V形缺口沖擊試驗，結(jié)果見表1。
表1 A1組試樣的沖擊韌性
由表1可見，焊縫區(qū)的沖擊韌性很低，不符合API SPEC 5DP:2009 的要求。根據(jù)API SPEC 5DP:2009的要求，在同一試樣上復(fù)取兩組沖擊試樣進行試驗，兩組沖擊試樣分別編號為A2和A3，結(jié)果見表2。
表2 A2和A3組試樣的沖擊韌性
從試驗過程來看，試驗方法與試驗設(shè)備相同，試驗溫度均為-20℃，A1組試樣與復(fù)取A2，A3兩組試樣沖擊功基本相同，排除與其他試樣混淆的因素，對試樣加工尺寸及V形缺口進行檢查也符合ASTM E23:2018的要求，因此沖擊試驗本身并無問題。
從表1，2中可以看出3組試樣沖擊功基本相同，均為20J左右，剪切斷面率為10%，A1組沖擊試樣斷口宏觀形貌見圖1，可見斷口整體較為平坦、光亮，具有脆性斷裂特征，斷口邊緣有少量剪切唇。
圖1 A1組沖擊試樣斷口宏觀形貌
02理化檢驗及結(jié)果
2.1拉伸試驗
按照API SPEC 5DP:2009的技術(shù)要求，在同一鉆桿焊縫上取直徑為12.5mm的圓棒拉伸試樣，按照ASTM E8/E8M:2016a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials 的技術(shù)要求，采用電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗，結(jié)果見表3，可見焊縫區(qū)拉伸性能
符合API SPEC 5DP:2009的要求，屬正常控制范圍，無異常。
表3 焊縫的拉伸性能
2.2硬度試驗
按照API SPEC 5DP:2009的技術(shù)要求，沿鉆桿焊縫區(qū)取縱向全截面硬度試樣，在兩側(cè)熱影響區(qū)按照ASTM E18:2019 Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials 的要求進行洛氏硬度試驗，結(jié)果見表4，可知鉆桿焊縫區(qū)硬度符合API SPEC 5DP:2009的要求。
表4 熱影響區(qū)硬度
2.3橫向側(cè)彎試驗
根據(jù)API SPEC 5DP:2009的技術(shù)要求對焊縫區(qū)進行橫向側(cè)彎試驗，取長度為200mm、寬度為9.5mm的兩個全壁厚試樣，采用38.1mm的彎芯進行橫向側(cè)彎試驗，試樣在順時針和逆時針的兩翼彎曲形成角度不大于40°時，均無裂紋，符合標(biāo)準的要求。
2.4金相檢驗
按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》的技術(shù)要求，垂直于焊縫取2個縱截面金相試樣，采用金相顯微鏡對試樣進行觀察，結(jié)果見圖2?？梢娿@桿接頭側(cè)、管體側(cè)的顯微組織主要為回火索氏體+少量鐵素體，且均不存在未回火馬氏體及粗大的過熱組織。鉆桿接頭側(cè)、管體側(cè)的晶粒度等級均為9.0級，高于內(nèi)控標(biāo)準7.0級。
圖2 焊縫區(qū)顯微組織形貌
2.5非金屬夾雜物檢驗
按照ASTM E45:2018的技術(shù)要求垂直于焊縫取縱截面試樣，采用金相顯微鏡進行非金屬夾雜物檢驗，結(jié)果見圖3和表5?？梢娿@桿接頭側(cè)和焊縫區(qū)A類非金屬夾雜物含量較多，焊縫區(qū)評級為1.5級，接頭側(cè)評級為2.0級。
圖3 焊縫試樣不同位置的非金屬夾雜物形貌
表5 焊縫試樣不同位置的非金屬夾雜物檢驗結(jié)果
2.6化學(xué)成分分析
按照ASTM A751:2014a Standard Test Methods, Practices, and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products 的要求對鉆桿接頭及管體進行化學(xué)成分分析，可知鉆桿接頭硫元素含量超過API SPEC 5DP:2009的要求值。
2.7掃描電鏡及能譜分析
對A1組其中一個沖擊試樣斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，圖4為沖擊試樣斷口的SEM形貌。由圖4a)和圖4b)可見，斷口呈密集溝壑狀；由圖4c)可見，有些溝壑里及細小韌窩里面存在細小的塊狀黑色物質(zhì)，局部平面上存在大量塊狀的黑色物質(zhì)，個別長條黑色塊狀物質(zhì)長達100μm。對這些黑色塊狀物質(zhì)進行能譜(EDS)分析，結(jié)果見圖5?？梢姾谏珘K狀物質(zhì)主要組成元素為硫、錳和鐵，其質(zhì)量分數(shù)分別為35.43%，36.88%，17.82%，其余元素為碳、鈣、鉻，可以推斷該黑色塊狀物質(zhì)為FeS和MnS混合夾雜物。
圖4 沖擊試樣斷口不同位置的SEM形貌
圖5 沖擊試樣斷口黑色塊狀物質(zhì)EDS分析結(jié)果
03沖擊韌性低的原因分析
該批鉆桿焊縫試樣除沖擊韌性不合格，其余力學(xué)性能均符合API SPEC 5DP:2009的要求。焊縫兩側(cè)顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，不存在未回火馬氏體和粗大的過熱組織，焊縫區(qū)存在較多的A類非金屬夾雜物，細系達到1.5級。管體材料磷、硫含量較低，非金屬夾雜物等級也較低，但是鉆桿接頭材料的硫元素含量超標(biāo)，質(zhì)量分數(shù)為0.016%，A類非金屬夾雜物粗系達到2.0級且含量較多。通過對焊縫沖擊試樣斷口宏觀及微觀分析可以判斷，斷口處存在較多的FeS和MnS混合非金屬夾雜物。由于沖擊試樣斷口處A類非金屬夾雜物含量多，破壞了焊縫區(qū)組織的連續(xù)性，非金屬夾雜物的塑性、彈性與鋼材的有很大差別，非金屬夾雜物無法與鋼材同步塑性變形，因而在非金屬夾雜物周圍產(chǎn)生越來越大的應(yīng)力集中，形成了弱結(jié)合面，受到?jīng)_擊力時，弱結(jié)合面處先產(chǎn)生裂紋，最終裂紋在焊接結(jié)合面上擴展而導(dǎo)致試樣斷裂，因此試樣焊縫區(qū)的非金屬夾雜物含量多會使沖擊韌性大大降低。鉆桿接頭材料里的硫元素生成于冶煉過程，大部分硫元素成群聚集于枝晶晶界形成硫化物，熱軋管過程中的硫化物易于變形,往往呈細長紡錘形伸展分布在帶狀組織中，造成鋼材的各向異性。摩擦焊時鉆桿接頭和管體在高溫、高壓環(huán)境下進行焊接，隨著焊接面金屬的塑性流動，改變了硫化物原分布方向，由原平行于鉆桿接頭軸線方向變?yōu)槠叫杏诤缚p方向，即垂直于軸線方向，故硫化物沿焊縫分布。
該焊縫試樣由于焊縫區(qū)A類非金屬夾雜物含量多，破壞了組織的連續(xù)性，導(dǎo)致沖擊韌性不符合API SPEC 5DP:2009的要求，但是抗拉強度卻達到880MPa。相關(guān)研究顯示，試樣在受拉應(yīng)力時，拉應(yīng)力垂直于焊縫結(jié)合面，均勻的分布在整個焊縫結(jié)合面上，因此非金屬夾雜物產(chǎn)生的裂紋擴展速度較緩慢，但是試樣受沖擊力時，焊縫結(jié)合面處受不均勻的剪切應(yīng)力，由非金屬夾雜物形成的裂紋擴展速度較快。因此，非金屬夾雜物形成的弱結(jié)合缺陷對焊縫試樣拉伸強度影響不大，但是對焊縫試樣的沖擊韌性影響很大。
04結(jié)論及建議
(1) 鉆桿焊縫區(qū)沖擊韌性低，不符合API SPEC5DP:2009的要求，是由于焊縫區(qū)A類非金屬夾雜物含量多，破壞了組織的連續(xù)性，受到?jīng)_擊力時，缺陷的弱結(jié)合面處先產(chǎn)生裂紋，裂紋快速擴展最終導(dǎo)致試樣斷裂。
(2) 鉆桿接頭材料硫元素含量高，A類非金屬夾雜物級別高、含量多，是焊縫區(qū)產(chǎn)生較多A 類非金屬夾雜物缺陷的主要原因。
(3) 焊縫區(qū)非金屬夾雜物形成的弱結(jié)合缺陷對拉伸強度影響不大，但是對焊縫試樣的沖擊韌性影響很大。
(4) 建議鉆桿接頭入廠增加非金屬夾雜物檢驗，確保鉆桿接頭材料純凈度符合要求，從而保證鉆桿摩擦焊焊縫區(qū)性能符合標(biāo)準要求。
作者：楊曉峰，高斌強，呂海英
單位：上海海隆石油鉆具有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2021年7月
來源：理化檢驗物理分冊
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