4145H安全接头外螺纹开裂原因分析

4145H安全接头外螺纹开裂原因分析

徐萌    ,刘洋   ,金贵全

黑龙江北方双佳钻采机具有限责任公司，黑龙江 牡丹江 157013

摘要：2020年11月25日，中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司送来开裂安全接头2件，型号为AJ-H168-410×411，牌号:4145H，接头螺纹形式NC50。该安全接头于2020年11月10日供井，服役于马探1井直井探井，设计井深5400m，进尺5267m。钻井液性能:密度:1.52g/cm3，粘度:78s，失水:2ml，含沙:0.2%，KCL含量:7.7%。

关键词：深井钻井作业，打捞工具螺纹开裂，断裂分析

我公司AJ-H168-410×411安全接头在中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司使用过程中出现断裂现象。返回公司后，对该安全接头进行失效分析如下：

一、宏观分析

断裂接头共2件，为1对匹配断口，安观形貌见图1所示。断裂位置位于外螺纹接头第1牙齿根部，断口平齐，未见应力减轻槽。断口可见明显腐蚀痕迹。

图1  产品宏观形貌

样品断口宏观形貌断口较平坦，宏观未见明显塑性变形，呈脆性特征：表面纹路清晰，可见明显贝纹线特征。源区可见应力台阶特征，相对区域呈逆时针旋转放射状条纹，与卸扣时方向吻合，表明这些纹路为卸扣时所导致，目断裂为扭转应力诱导的正断断口，管体外壁存在45°剪切唇特征，剪切唇较小，为最终断裂区。

对断裂位置外螺纹接头第1牙齿根部进行宏观分析。在外螺纹根部和台肩面连接处存在明显亮白条纹，此为螺纹加工刀痕痕迹;该安全接头在断裂源处有沿刀痕开裂特征。

二、理化性能分析

2.1 化学成分

在安全接头上取样，采用ARL-3460直读光谱仪对其进行化学成分分析。结果如表1所示。

表1  化学成分分析结果(wt.%)

2.2 理化性能分析

在安全接头上取力学性能试样。

拉伸试验采用纵向棒状拉伸试样，依据标准GB/T228.1-2010试验结果为抗拉强度1080MPa，屈服强度980MPa，伸长率13.6%，屈强比0.91；

冲击试验采用纵向夏比冲击冲击试样，依据标准GB/T229-2020，试验结果单个值为54.5J，54.2J，55.6J，平均值为54.7J；

在接头上取样进行布氏硬度试验，依据标准GB/T 231.1-2018，试验结果为323HBW，320HBW，317HBW；

由结果可知，该安全接头力学性能满足API Spec7-1标准要求，屈强比为0.91。

3.3 金相组织

在断口上取样于显微镜下观察其金相组织，取样示意图见图2所示，对4#、5#、6#、7#样品进行金相组织观察。

4#样品金相组织为回火索氏体，5#、6#、7#样品金相组织为回火索氏体+少量上贝氏体。

图2  金相组织取样示意图

三、 微观分析

3.1扫描电子显微分析

在样品断口上取样，取样示意图见图2所示，分别对1#、2#、3#、8#、9#样品进行扫描电子显微镜观察。

1#、2#样品微观形貌均为沿晶特征，晶粒表面存在较厚腐蚀产膜，表明断口腐蚀较为严重，且断口上存在较多沿晶分布的二次裂纹。3#、8#、9#样品微观形貌为准解理+撕裂韧窝。

3.2能谱分析

对1#样品进行能谱分析，结果见表2所示。由结果可知，2个检测区域腐蚀产物元素主要为Fe、C、O，还有少量S元素。

表2  Spc-001区域检测结果

对3#样品进行能谱分析，结果见表3所示。由结果可知，3#样品断口腐蚀产物元素主要为Fe、C、O，还存在少量S元素。

表3  样品3#能谱检测结果(Atom.%)

四、分析讨论

宏观分析表明:(a)断裂位置位于外螺纹接头第1牙齿根部，断口平齐，表面纹路清晰，未见明显塑性变形，呈脆性特征。根据纹路分析，这样的旋转放射状纹路为卸扣时所导致，目断裂为扭转应力诱导的正断新口。管体外壁存在45°剪切唇特征，剪切唇较小，为最终断裂区。

(b)在外螺纹根部和台肩面连接处存在明显螺纹加工刀痕痕迹，且安全接头在裂源处有沿刀痕开裂特征。

理化分析表明，该安全接头抗拉强度、屈服强度、布氏硬度均满足API spec7-1标准要求，伸长率、纵向冲击功单个值及平均值均满足API Spec 7-1标准要求，屈强比较高。金相分析表明，4#样品金相组织为回火索氏体，5#、6#、7#样品金相组织为回火索氏体+少量上贝氏体。

扫描电子显微分析表明，1#、2#样品微观形貌均为沿晶特征，晶粒表面存在较厚腐蚀产膜，表明断口腐蚀较为严重，且断口上存在较多沿晶分布的二次裂纹。3#、8#、9#样品微观形貌为准解理+撕裂韧窝。

根据上述试验分析可以判定，该安全接头开裂第一阶段失效机理为疲劳+应力腐蚀断裂。下面对其开裂原因进行分析。

(1)断口表面较平坦，宏观未见明显塑性变形，呈脆性特征;表面纹路清晰，根据特征可以推断该安全接头失效机理为应力腐蚀+疲劳。

(2)扫描电子显微分析和能谱分析可知，源区微观形貌为沿晶特征，晶粒表面存在较厚腐蚀产物膜，新口上有较多沿品二次裂纹:能谱结果显示断口腐蚀产物元素主要为Fe、C、O，及少量S元素，这些均符合应力腐蚀特征。

(3)断裂位置位于外螺纹最后啮合区根部，在外螺纹根部与台肩面连接处未见应力减轻槽。该安全接头未设置应力减轻槽，使得零件儿何突变在螺纹根部造成巨大应力集中，在腐蚀介质及交变载荷的作用下导致裂纹萌生。

(4)在外螺纹第1牙齿根部存在粗加工刀痕，而该安全接头有沿刀痕断裂特征。接头啮合区表面粗加工刀痕，加剧此处应力集中，极大的缩短零件的疲劳寿命。

(5)力腐+疲劳开裂，接头承载能力已经大幅下降。因此在后续卸扣操作时，受扭转力的作用，接头最终断开。

综上所述，该安全接头断裂的原因为:接头在使用中发生应力腐蚀+疲劳开裂。接头结构未采用应力减轻槽，以及螺纹根部粗糙的加工刀痕也是发生此次失效的原因。

五、结论

(1)该安全接头开裂失效机理为应力腐蚀+疲劳开裂。

(2)裂的原因为:接头在使用中发生应力腐蚀+疲劳开裂。接头结构未采用应力减轻槽，以及螺纹根部粗糙的加工刀痕也是发生此次失效的原因。

(3)该安全接头抗拉强度、屈服强度、布氏硬度值、伸长率、纵向冲击功单个值和平均值均满足API Spec7-1标准要求。

参考文献：

1、国外大位移井钻井技术. 李克向 苏义脑 徐云英 赵忠举 等编译

2、合金钢及热处理工艺学. 李慧芳 萧振荣 沈济万 编

3、热加工技术简明手册.   崔忠圻 主编

4、断裂分析学.      兵器工业第52研究所 编

5、金属热处理原理   戚正风  主编

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