圖 1 探管試樣宏觀形貌
分享：某鉆井工具探管開裂原因
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)主要以隨鉆測量技術(shù)和井下控制技術(shù)為基礎(chǔ),通過靠近鉆頭的導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu),使鉆柱在旋轉(zhuǎn)的同時改變工具的方位和井斜,從而達到導(dǎo)向鉆井的目的[1]。
某鉆井平臺隨鉆測量工具中,用于鉆桿內(nèi)部測量的短節(jié)單位探管發(fā)生橫向開裂現(xiàn)象,采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對探管的開裂原因進行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
某探管試樣總長為920 mm,外徑為45.24 mm,內(nèi)螺紋鏜孔直徑為39.14 mm。探管試樣宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：探管外側(cè)均勻分布著細小的橫向裂紋。
探管外壁宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：裂紋處存在小的腐蝕坑,最長的裂紋長度約為10 mm。為分析裂紋產(chǎn)生的原因,在圖2中兩處方框位置分別取樣,分別編號為1－1和1－2。
圖 2 探管外壁宏觀形貌
用鉗子等工具在試樣1－2上的裂紋處截斷,斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷裂源于外壁腐蝕坑位置,呈弧形向材料內(nèi)部擴展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域為斷面打開前已經(jīng)存在的原始裂紋缺陷,亮灰色新鮮斷裂區(qū)域為裂紋擴展區(qū)。
圖 3 試樣1－2裂紋處斷口宏觀形貌
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對試樣的化學成分進行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知： 該探管的化學成分滿足技術(shù)要求。
Table 1. 探管試樣的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | |
| 實測值 | 0.038 | 0.378 | 4.368 | 0.020 | 0.000 4 | 13.039 | 20.945 | 2.065 |
| 技術(shù)要求 | ≤0.06 | ≤1.00 | 4.0～6.0 | ≤0.06 | ≤0.03 | 11.5～13.5 | 20.5～23.5 | 1.5～3.0 |
1.3 硬度測試
整個探管外壁均存在裂紋,無法對其進行拉伸試驗及沖擊試驗,故僅對探管進行洛氏硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：探管的硬度為35.9～37.8 HRC,滿足技術(shù)要求。
Table 2. 洛氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 第1象限硬度 | 第2象限硬度 | 第3象限硬度 | 第4象限硬度 |
|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 36.6,36.6,37.1 | 37.8,37.3,37.5 | 36.9,36.3,35.9 | 36.4,36.9,37.3 |
| 技術(shù)要求 | 單個橫截面最大變化6 | |||
1.4 金相檢驗
在該探管上截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察。探管的顯微組織為奧氏體,形貌如圖4所示。對試樣的顯微組織進行非金屬夾雜物和晶粒度評級,結(jié)果如表3所示。
圖 4 探管試樣顯微組織形貌
Table 3. 探管試樣非金屬夾雜物和晶粒度評級結(jié)果
| 項目 | A類 | B類 | C類 | D類 | DS類 | 晶粒度 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | ||
| 級別 | 0 | 0 | 0 | 1.0 | 0 | 0 | 0 | 1.5 | 0 | 0 | 9 |
垂直于試樣1－1裂紋方向截取試樣,將試樣磨拋后置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。試樣1－1被腐蝕后的微觀形貌如圖6所示。由圖5～6可知：裂紋起源于外壁腐蝕坑,腐蝕坑深度約為50 μm,裂紋呈樹枝狀向內(nèi)壁擴展,裂紋呈穿晶方式擴展。
圖 5 試樣1－1裂紋微觀形貌
圖 6 試樣1－1被腐蝕后的微觀形貌
1.5 掃描電鏡和能譜分析
對試樣的斷口表面進行清洗,再將斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：清洗后的斷口表面仍然覆蓋著黑色的腐蝕產(chǎn)物,且斷裂源區(qū)(腐蝕坑處)聚集較多的腐蝕產(chǎn)物,這些產(chǎn)物呈黑色的龜裂狀形貌；斷裂源區(qū)和擴展區(qū)的SEM形貌均呈解理花樣特征。
圖 7 試樣斷口SEM形貌
對缺陷試樣進行能譜分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：斷口表面腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl元素。
圖 8 試樣斷口表面能譜分析位置和能譜圖
2. 綜合分析
由理化檢驗結(jié)果可知：在裂紋處截斷試樣后,發(fā)現(xiàn)裂紋起源于外壁腐蝕坑,裂紋呈弧形并向材料內(nèi)部擴展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域存在斷面打開前已經(jīng)存在的原始裂紋缺陷,裂紋以穿晶方式向內(nèi)擴展,裂紋處腐蝕產(chǎn)物中含有大量Cl元素。
應(yīng)力腐蝕斷裂是材料、應(yīng)力和腐蝕環(huán)境三者共同作用的結(jié)果。應(yīng)力腐蝕中材料種類和環(huán)境介質(zhì)有固定匹配的特征。該探管材料為奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼在含氧、氯離子的溶液中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[2－3]。根據(jù)現(xiàn)場提供的資料,該鉆井平臺泥漿中氯離子的含量較高,且該探管是安裝在無磁加重鉆桿內(nèi)部,用來測量短節(jié)單元的工具,泥漿流經(jīng)探管與加重鉆桿之間,直接與探管外壁接觸。顯然,在當時的井下特定環(huán)境下,氯離子為探管外壁應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕環(huán)境,是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一。
該探管外壁裂紋處均存在腐蝕坑,腐蝕坑處具有更高的氯離子濃度,加速了局部腐蝕。腐蝕坑的形成可能與材料中的夾雜物、碳化物、δ鐵素體、晶界的冶金不均勻性等因素有關(guān)[4－5]。
該探管在鉆井作業(yè)過程中承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,這些應(yīng)力產(chǎn)生的軸向分量構(gòu)成其應(yīng)力腐蝕的力學條件。在腐蝕環(huán)境、應(yīng)力以及材料的聯(lián)合作用下,探管發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。
3. 結(jié)論
探管外壁裂紋產(chǎn)生的機制為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。探管外壁產(chǎn)生裂紋的主要原因為：服役過程中,泥漿沖刷探管外壁,且泥漿中氯離子含量較高。井下的特定環(huán)境為探管應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕環(huán)境,是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一；探管在鉆進過程中會承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,這些應(yīng)力產(chǎn)生的軸向分量為應(yīng)力腐蝕開裂提供了力學條件。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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