水力振蕩器斷裂失效分析

分析了某油田水力振蕩器振蕩短節(jié)螺紋斷裂失效行為，通過宏觀分析、理化性能分析、斷口微觀分析、 強(qiáng)度核算等方法，系統(tǒng)的分析了該工具斷裂失效因素，結(jié)果表明，在服役過程中，由于復(fù)雜的工況和自身材質(zhì)的 影響，導(dǎo)致工具在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生了疲勞損傷，從而萌生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

水力振蕩器作為一種高效的鉆井提速提效專用工 具，越來越廣泛的用于石油鉆井作業(yè)中，特別是在大位 移井水平井鉆井作業(yè)過程中起到減摩降阻的作用。它集 機(jī)械剪切、水力和扭轉(zhuǎn)沖擊三種破巖方式于一體，利用 鉆井液驅(qū)動(dòng)內(nèi)部構(gòu)件，將部分流體能量轉(zhuǎn)換成一定頻率、 周向扭轉(zhuǎn)沖擊的能量，并直接傳遞給鉆頭，從而提高鉆井速度。其特殊的工作原理，極易導(dǎo)致在工具局部產(chǎn) 生應(yīng)力集中，在近鉆頭端的鉆柱組合也讓其在斷裂失效 后后續(xù)處理變得更加復(fù)雜，因此有必要對(duì)其斷裂失效進(jìn) 行分析，確定斷裂主因，避免再次發(fā)生。本次失效的為 某國(guó)產(chǎn) 8" 水力振蕩器，失效形式為上部水力振蕩短節(jié)母螺紋斷裂。

截取螺紋斷口兩側(cè)樣品共 2 件，為 1 對(duì)匹配斷 口，總長(zhǎng)度為 424 mm，外徑為 202.80 mm，內(nèi)徑為 74.32 mm，斷口距內(nèi)螺紋端面 128 mm，位于內(nèi)螺紋小 端數(shù)第 1~2 扣螺紋部位，斷口 50% 面積顏色較亮，斷 口內(nèi)側(cè)螺紋根部存在應(yīng)力臺(tái)階，斷口擴(kuò)展區(qū)較平坦，局 部擴(kuò)展區(qū)呈扇形，可見貝紋線特征，形貌見圖 1。斷口 附近螺紋底部存在裂紋，在斷口部位取樣，對(duì)其縱截面 研磨拋光，螺紋底部的裂紋形貌如圖 2 所示。

在水力振蕩短節(jié)上取樣，金相顯微鏡下觀察其金相 組織，其內(nèi)層和壁厚中心的金相組織為回火索氏體 + 少 量貝氏體，外層金相組織為回火索氏體，形貌見圖 3。 進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和晶粒度評(píng)級(jí) [2]，結(jié)果如表 4 所 示。由結(jié)果可知，該水力振蕩短節(jié) C 類夾雜物含量較高， 在 1 個(gè)視場(chǎng)內(nèi) C 類夾雜物長(zhǎng)度總和為 1 044 mm，評(píng)級(jí) 為 3.0 級(jí)，形貌見圖 4。

宏觀分析表明，該水力振蕩短節(jié)內(nèi)螺紋接頭小端數(shù) 第 1~2 扣螺紋發(fā)生斷裂，斷口起源于螺紋根部，存在應(yīng) 力臺(tái)階，屬多源疲勞特征；斷口擴(kuò)展區(qū)較平坦，呈扇形， 可見貝紋線特征，均符合疲勞斷裂特征 ；斷口附近螺紋 底部存在較多橫向裂紋，裂紋擴(kuò)展區(qū)較平直，這些裂紋 與斷口平行，與斷口的開裂機(jī)理相同。 力學(xué)性能分析表明，該斷裂部件的抗拉強(qiáng)度、屈 服強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率均滿足了設(shè)計(jì)要求，縱向沖擊吸收 功則低于設(shè)計(jì)要求的下限，布氏硬度在 317~326 HB 范 圍內(nèi)。 金相分析表明，該水力振蕩短節(jié)內(nèi)層和壁厚中心的 金相組織為回火索氏體 + 少量貝氏體，外層金相組織為 回火索氏體，晶粒度正常，為 8.5 級(jí) ；C 類夾雜物含量 較高，為 3.0 級(jí) ；螺紋底部的裂紋存在二次裂紋特征， 這些二次裂紋是沿夾雜物開裂的。 微觀分析表明，斷口源區(qū)存在應(yīng)力臺(tái)階，斷口附近 （與斷口處于同一扣螺紋內(nèi)）存在與斷面平行的其他裂 紋，斷口擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋。 根據(jù)上述試驗(yàn)分析，可以推知該水力振蕩短節(jié)內(nèi)螺 紋斷裂的失效機(jī)理為疲勞斷裂。

內(nèi)螺紋小端數(shù)前三至五扣螺紋區(qū)域承受的應(yīng)力 較為集中，且水力振蕩短節(jié)作為水力振蕩器的主要儲(chǔ)能 釋放結(jié)構(gòu)，其本身在整個(gè)工具中也是應(yīng)力集中構(gòu)件，二 者疊加，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度加大，這正是該水力振蕩短 節(jié)內(nèi)螺紋接頭從該部位斷裂的原因。（2）該水力振蕩接 頭的 C 類（硅酸鹽類）夾雜物含量較高。夾雜物的存 在導(dǎo)致材料內(nèi)部的不連續(xù)性，存在應(yīng)力集中，尤其是硅 酸鹽類夾雜物端部較尖銳，類似于裂紋等缺陷。在裂紋 擴(kuò)展過程中，存在較多沿夾雜物開裂的二次裂紋，表明 夾雜物對(duì)本次斷裂的擴(kuò)展過程產(chǎn)生一定的影響。另外， 該水力振蕩短節(jié)的沖擊吸收功低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，表 明該斷裂部件的韌性較差，也跟夾雜物含量較高存在一 定的聯(lián)系。（3）該水力振蕩器所服役井身的最大全角變 化率為 6.55°/30 m，鉆柱在較大全角變化率的井段鉆進(jìn) 時(shí)，必然承受較大的交變彎曲載荷，為水力振蕩短節(jié)的 疲勞損傷提供了交變載荷。（4）對(duì)一些提速提效井下動(dòng) 力工具，建議制定合理的檢驗(yàn)周期，尤其是在較苛刻井 況使用時(shí)，合理縮短檢驗(yàn)周期，及時(shí)更換缺陷部件。