石油钻采设备用阀杆断裂失效分析_刘国永
油田钻具失效原因分析及控制措施研究
油田钻具失效原因分析及控制措施研究油田钻具是石油勘探和开采中不可或缺的重要设备，在石油生产中发挥着至关重要的作用。
在长时间的使用过程中，油田钻具可能会出现失效现象，不仅会造成生产中断和设备损坏，而且还会对环境和人员安全造成潜在威胁。
深入分析油田钻具失效的原因，并提出相应的控制措施，对于提高油田钻具的使用寿命和运行安全具有重要意义。
一、油田钻具失效原因分析1. 磨损和疲劳油田钻具在长时间的作业过程中，受到重复的载荷和振动影响，容易发生磨损和疲劳现象。
特别是在复杂地层条件下，磨损和疲劳问题更为突出，导致钻具寿命大大缩短。
2. 腐蚀油田钻具长期处于恶劣的地下环境中，容易受到泥浆、酸性物质等腐蚀介质的侵蚀，导致钻具表面损坏，甚至出现龟裂、脱落等现象。
3. 设计缺陷油田钻具的设计缺陷也是造成失效的重要原因。
在受力分布不均匀的情况下，可能导致部件断裂；在钻具的连接部位存在设计缺陷时，也容易发生失效。
4. 质量问题油田钻具的质量直接影响着其使用寿命和安全性能。
一些没有经过严格检测和质量控制的钻具可能存在隐患，容易出现失效问题。
5. 错误使用油田钻具的错误使用也是造成失效的重要原因。
操作人员对于钻具的使用不当，或者不符合设计要求的使用方法，容易导致失效。
二、控制措施研究1. 强化维护管理加强对油田钻具的维护管理，定期进行检查和维修，及时发现并修复磨损、腐蚀等问题，可以有效延长钻具的使用寿命。
2. 加强质量控制对油田钻具的生产过程进行严格的质量控制，确保钻具的质量符合设计要求，避免因质量问题造成的失效现象。
3. 完善设计改进油田钻具的设计，提高其受力均匀性和耐腐蚀性能，减少设计缺陷对钻具寿命的影响。
4. 增强人员培训加强对油田钻具使用人员的培训，提高其对钻具正确使用和维护的认识，减少因误操作导致的失效。
5. 强化监测技术引入先进的监测技术，对油田钻具进行实时监测，及时获取钻具的工作状态信息，可以有效预防失效的发生。
油田钻具失效原因分析及控制措施研究
油田钻具失效原因分析及控制措施研究油田钻具失效是指在钻井作业过程中，钻具出现各种故障，无法正常运转或达不到预期的使用寿命。
这会严重影响钻井的进展和效率，增加作业成本，甚至导致事故的发生。
对油田钻具失效的原因进行分析并研究相应的控制措施，对保障钻井作业的持续进行和安全生产具有重要意义。
油田钻具失效的原因主要有以下几方面：1. 动力系统失效：动力系统失效包括电机、液压系统、传动装置等故障。
这些故障可能是由于组件磨损、润滑不良、密封件老化等原因导致的。
控制措施包括定期进行设备维护保养，检查机械零部件的磨损情况，加强润滑管理，更新老化的密封件等。
2. 钻头失效：钻头是钻井作业中最容易失效的部件之一。
其失效原因主要有磨损、断刃、堵塞等。
钻头磨损主要是由于井壁岩石的磨蚀作用，尤其是含有砂岩和碳酸盐岩的地层，需要采取合适的防磨措施。
断刃则是指钻头刃部发生断裂，这主要是由于受到过大的冲击或拉伸力造成的。
堵塞则是指钻头刃部被岩石屑、胶结物等物质堵塞，导致无法正常进行钻井作业。
控制措施包括选择合适的钻头材料和结构，进行定期的检查和维护，及时清理堵塞物等。
3. 钻柱及井筒失效：钻柱及井筒是支持钻头和输送钻杆的关键部件，其失效会导致整个钻具系统无法正常工作。
钻柱失效主要是由于疲劳断裂，其原因可能是工作条件超过了其承载能力，也可能是材料质量问题。
井筒失效则是由于井壁结构破坏，主要原因是岩石的强度不够，造成井壁塌陷。
控制措施包括合理设计钻柱和井筒的结构，选择合适的材料，定期进行强度检测和防腐处理等。
4. 钻井液失效：钻井液失效主要指钻井液性能下降，无法满足钻井要求。
钻井液性能下降的原因很多，包括固相物质浓度过高、润滑性能不佳、过滤性能下降等。
这些都可能导致钻井液与井底温度、地层压力不匹配，从而出现井壁稳定问题。
控制措施包括定期检测钻井液性能，及时调整配方，控制固相物质浓度和酸碱度，保证钻井液的稳定性能。
钻井作业中油田钻具失效的原因较多，但通过合理的控制措施可以减少其发生概率。
211261567_钻具失效影响因素分析及规范管理对策＊
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第10期·139·文章编号：2095-6835（2023）10-0139-03钻具失效影响因素分析及规范管理对策＊谭雷川（中国石油集团川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，四川成都610051）摘要：在川渝地区超深井钻井过程中，由于井眼轨迹复杂、钻压大、转速高、环境苛刻，钻具失效事故频繁发生。
当钻具在井下发生失效问题后，轻则需要起钻更换钻具，重则导致钻具断裂落井需要进行打捞，严重制约了钻井工程的生产时效。
因此，对钻具失效情况进行系统分析，找出川渝地区超深井钻具失效原因，给出钻具失效预防措施，对降低川渝地区超深井钻具失效、全面提升钻井工程的安全性和可靠性有着十分重要的价值。
关键词：超深井；钻具失效；刺漏；失效分析中图分类号：TE921文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.10.041随着川渝地区天然气勘探开发的不断深入，为了充分探明灯影组等深部气藏情况，川渝地区钻井规模日益增大，超深井数量逐年增多[1-3]。
在钻井过程中由于井眼轨迹复杂、钻压大、转速高、环境苛刻，钻具失效事故频繁发生，严重制约了钻井工程的安全性和可靠性，造成了严重的生产时效滞后和巨大的经济损失[4]。
因此，对川渝地区超深井钻具失效情况进行分析研究，充分了解钻具失效的机理和原因，制定相应的防范措施，对提高钻具使用寿命，预防井下复杂的发生，降低钻井工程风险有着十分重要的价值[5]。
1国内外研究进展19世纪60年代开始，国外初步开展了金属材料失效方面的探索，吸引了众多的研究者[1-3]。
进入20世纪，EWING 和BASQUIN 基于金属材料失效的理论认识，建立了金属失效与疲劳系数的关系模型，该模型后来在钻具力学失效分析中得到了广泛的运用。
紧接着，开展了钻井液腐蚀、金属疲劳等对井下钻具材质的影响分析，认为提高井下钻具钢级、降低钻井液中腐蚀材料的含量可以有效地降低钻具失效的概率。
钻具断裂的失效分析及预防
2017年09月钻具断裂的失效分析及预防张孝兵海照新陈保民(川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西西安710018)摘要：油气田勘探开发过程中钻具受力状态十分复杂，所以其失效形式也多种多样。
如过量变形、断裂、表面磨损等。
发生井下钻具断裂事故，处理费用数额大，更甚者会发生打捞失败而弃井。
通过多年井下钻具断裂事故的处理经验、案例分析及试验研究总结出，大多数的钻杆断裂事故都是由于疲劳而引起的。
关键词：失效;疲劳;过量变形;钻具断裂1钻具断裂事故发生的一般规律在钻井实践中观察到的大量钻杆断裂现象可概括为：①钻杆大多数的断裂事故发生于旋转钻进过程中或在钻进后立即提离井底的时候；②大多数断裂发生在据钻杆接头1.2米的范围内；③管体的疲劳和腐蚀疲劳断裂均发生在内加厚过渡区消失处；④在有腐蚀性的洗井液中将引起管体或接头严重坑蚀，从断裂面上看到的这些裂纹是从内表面的腐蚀斑点开始的；⑤上提遇卡而拔断钻杆，断裂位置通常发生在已经产生疲劳裂纹，但尚未发展成为断裂的部位；⑥钻杆接头螺纹的疲劳断裂多发生于内螺纹接头大端第一和第二螺纹牙根部或外螺纹接头大端第一和第二螺纹牙根部。
2钻具断裂事故中钻具的失效形式2.1钻杆管体的疲劳和腐蚀疲劳断裂钻杆发生疲劳和腐蚀疲劳断裂破坏的主要原因是由于钻杆在弯曲井眼中旋转时发生周期性交变旋转弯曲应力以及井下腐蚀介质共同作用所致。
影响钻杆疲劳和腐蚀疲劳断裂的主要因素：①钻杆材料的抗拉强度和疲劳极限的影响；②钻杆材料冲击韧性的影响；③钻杆表面质量的影响；④腐蚀环境的影响；⑤拉伸和弯曲的组合影响；⑥累计疲劳。
2.2钻杆内加厚过渡区刺穿失效事故在钻杆管端镦粗加厚工艺控制过程中，由于内加厚过渡区太短，在钻杆使用中，在该区产生严重的应力集中，进而导致腐蚀集中并形成较深的腐蚀坑。
在旋转钻井过程中，钻杆受到旋转弯曲交变载荷的作用，在腐蚀坑底产生疲劳裂纹，最终导致钻杆刺穿或断裂，这属于钻杆的腐蚀疲劳断裂。
2.3内涂层钻杆加厚过渡区刺穿失效事故（内刺穿）由于钻杆（内涂层）内加厚过渡区的形状不良，在钻杆使用时导致局部涂层脱落并产生集中腐蚀（涂层脱落处的腐蚀速率要远远高于正常的腐蚀速率），很快会产生较深的腐蚀坑。
石化汽轮机阀杆及阀碟螺栓断裂故障分析及对策
Internal Combustion Engine &Parts提升汽车维修效率，并且实现可持续发展目标。
参考文献:[1]左冬晓，杨慧荣.绿色维修———汽车维修技术新途径[J].湖南农机，2015，41（07）：122-123.[2]黄志.绿色维修———汽车维修技术新途径[J].科技传播，2015，11（12）：120，108.0引言石化装置的汽轮机是以蒸汽为动力，将蒸汽的热能转化为机械能的旋转机械。
作为装置核心设备的驱动机，由于其运行范围广、转速高、无备用机组等特殊地位，一旦出现故障停机，将严重影响整个装置的稳定运行，因此，其运行的可靠性就显得尤为重要。
从实际使用及调查情况来看，由于各个汽轮机使用的工况、负荷等参数不同，以及制造质量的不稳定性加之用户安装、操作水平不同，汽轮机在运行过程中存在着许多问题，比如调速系统故障中的阀杆及阀碟螺栓断裂等问题，都可能造成汽轮机重大的安全事故，给生产造成重大损失。
因此，降低汽轮机故障率、提高运行效率，是当前石化装置长周期稳定运行、降低装置能耗的一个重要手段。
1汽轮机调速系统介绍调速系统是汽轮机最重要的部件之一，其作用就是使汽轮机输出功率与负荷保持平衡。
汽轮机在启动、停机及负荷变化时都是通过调速系统中的油动机带动阀杆，阀杆再带动各个调节汽阀来调节各个气门的行程，通过改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的。
当负荷增加时，调速系统就要开大汽门，增加进汽量（负荷减小时相反）。
另外当负荷突然减小时，调速系统也要防止转速急速升高，保持汽轮机的正常运转。
阀杆及调节汽阀是调速系统的重要部件，是控制汽轮机运行工况的执行机构。
在该机构中，调节汽阀采用了提板阀结构形式。
即5个小阀碟通过各自的阀碟螺栓统一挂在一根水平阀梁上，伺服油动机通过杠杆机构，同时拉升两根阀杆，从而将整个阀梁提起，几个小阀碟通过阀碟螺栓与阀梁之间的衬套来决定开启顺序及行程。
该结构的阀碟螺栓和阀梁衬套间配合为间隙配合，阀碟螺栓可在阀梁中自由活动，保证了阀门的关闭性能。
刚性抽油杆螺纹连接处断裂失效分析
刚性抽油杆螺纹连接处断裂失效分析摘要在石油工业中，抽油杆是一种常见的设备，用于从油井中提取石油。
然而，抽油杆螺纹连接处的断裂失效是一个经常出现的问题，对生产造成了严重的影响。
本文通过实验和数值模拟的方法，对刚性抽油杆螺纹连接处断裂失效进行了分析，并提出了相应的改进措施，以提高系统的可靠性和安全性。
1. 引言抽油杆被广泛应用于石油工业中的油井开采过程中，在高温、高压和恶劣的环境下工作。
抽油杆的螺纹连接处是其中最容易发生断裂失效的部分，因为在工作过程中会受到巨大的拉力和扭矩，同时还要承受石油液体的冲击和腐蚀。
因此，了解抽油杆螺纹连接处的断裂失效机理，并采取相应的改进措施，对于提高抽油杆系统的可靠性和安全性至关重要。
2. 断裂失效机理2.1 材料特性抽油杆通常采用高强度的碳素钢制造，具有较高的拉伸强度和抗疲劳性能。
然而，由于长期工作在高温、高压和腐蚀的环境下，抽油杆的材料会发生相应的蠕变和腐蚀疲劳现象。
2.2 螺纹连接处的应力状况在抽油杆的螺纹连接处，由于受到拉力和扭矩的作用，会导致应力集中。
应力集中会引起连接处产生微裂纹，当裂纹扩展到一定程度时，就会导致断裂失效。
3. 断裂失效分析方法3.1 实验方法为了研究抽油杆螺纹连接处的断裂失效机理，可以进行拉力试验和扭矩试验。
通过调节载荷大小和频率，可以模拟实际工作条件下的应力状态，观察连接处的断裂情况。
同时，可以将断裂样品进行金相显微镜观察和扫描电子显微镜分析，以了解断裂形貌和微观组织的变化。
3.2 数值模拟方法利用有限元分析软件可以对抽油杆螺纹连接处的应力分布进行模拟和分析。
通过建立合理的材料本构模型和几何模型，可以计算出连接处的应力和位移分布。
通过对模型的优化调整，可以得到最大的应力和应力集中区域。
4. 改进措施4.1 强化材料性能为了提高抽油杆的抗蠕变和抗腐蚀性能，可以选择更高强度的材料，并进行相应的热处理和表面处理。
此外，还可以采用涂层技术，在连接处形成保护层，以减少外界的腐蚀和磨损。
螺杆钻具主轴的断裂失效分析（5）
螺杆钻具主轴的断裂失效分析1王炳英，薄国公中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营（257061)E-mail ：*****************摘要:对失效螺杆钻具主轴进行了理化检验、力学分析，通过金相组织观察、扫描电镜（SEM）测试等实验手段，结合钻杆的受力状态分析,推断出主轴的主要断裂原因是由于服役条件时复杂的受力状态以及钻井液腐蚀综合作用,最终导致钻杆腐蚀疲劳断裂。
关键词:螺杆钻具；交变载荷；腐蚀疲劳中图分类号：螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下动力钻具，对传递动力和输送泥浆有着重要作用。
钻具主轴在服役过程中承受着复杂交变载荷的作用，要求钻具有很好的抗弯和抗冲击等力学性能及较高的表面质量[1-3]。
一般主轴的工作时间达到100小时以上被认为合格，但由于马达输出功率不均匀、地下地况复杂，受力不均匀等原因，造成很多主轴工作40-50小时便发生断裂，给钻井公司造成较大的经济损失。
要保证整个钻柱系统的结构完整性和密封完整性，确保钻井生产的正常运行，减小井下事故的发生，有必要对钻杆的失效进行研究。
1．理化检验结果1.1宏观形貌检查失效主轴的位置位于主轴的顶端，此处截面积较小，断口整体平整，有明显的起裂点，失效轴端的一部分平整光亮，另一半则存在大量的沟纹。
宏观断口明显观察到疲劳源区和宏观疲劳条纹。
对断口截面形貌进行观察，发现其具有灰亮色金属光泽，没有明显宏观塑性变形。
1本课题得到山东省自然科学基金资助（项目编号：Y2008F38）的资助。
图1钻具主轴失效部位的宏观形貌Fig.1Macrograph of the failure part of the drilling tool spindle1.2化学成分分析在失效部位取样进行化学成分分析，结果（质量分数）见表1。
从表1可见，主轴为材料36CrNiMo4，符合GB3077－1999[4]标准中材料的技术要求。
表1钻具主轴的化学成分Tab.1Chemical composition of the drilling tool spindle项目C Si Mn P S Cr Mo Ni 牌号主轴0.350.40.60.0350.03 1.00.2 1.036CrNiMo4GB3077-19990.32-0.40.40.5-0.80.0350.030.9-1.20.15-0.30.9-1.236CrNiMo41.3金相分析在失效主轴断口端面沿轴向取样，制作金相试样，观察显微组织，金相分析结果表明，断口附近显微组织和基体组织相同，为回火索氏体，晶粒度为8级，夹杂物如图2所示。
47-钻杆接头断裂失效原因分析与预防
Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ Ｐ ｉ ｅ Ｓ ｕ ｂ Ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｙ
， ， ， ， ＫＯＮＧ Ｘ ｕ ｅ Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｉ ｎ ｓ ａ ｎ ＭＡ Ｒ ｅ ｎ ＹＵ Ｘ ｉ ａ ｏ ｅ ｉ ＹＵ Ｘ ｉ ａ ｏ ｌ ｏ ｎ ｕ ｎ ｉ －ｙ － －ｑ －ｗ － ｇ
ｂ 微观形貌图像２处能谱
ａ 微观形貌图像１处能谱
ｃ 断口微观形貌图像 图 ２ 断 裂 接 头 断 口处 Ｅ Ｄ Ｓ能 谱 分 析
·４ ２·
０ １ ２年８月 石 油 矿 场 机 械 ２
［ ］
２． ４ 金相组 织 ２－４ 《 石油 钻 杆 接 头 》 中要求强度（ 屈服强度 ５ ２ ９ ０—２ ０ ０ ０ 、 ） ， 为８ 抗拉强度为９ 导致钻杆接头 ２ ７ ＭＰ ａ ６ ５ ＭＰ ａ 断裂。 在断裂钻杆接头断口 处 取 样， 然后经过１ ０ ０＃ 、 ２ ０ ０＃ 、 ４ ０ ０＃ 、 ６ ０ ０＃ 、 ８ ０ ０＃ 、 １ ０ ０ ０＃ 砂 纸 打 磨 后 在 抛 光机上抛光， 用 ４％ 的 硝酸酒 精 腐 蚀 ， 在蔡式显微镜 ） 。 下 观察 其 金 相 组 织 和 夹 杂 物 （ 如图 ３ 由图 ３ 可 知， 断裂钻杆接头的金相组织为回火 索氏体＋铁素体＋ 上 贝 氏 体 混 合 组 织； 内部夹杂物 ／ 有 ２ 类， 分别为 Ｃ １． ５和 Ｄ １． ５。 根 据 国 标 Ｇ Ｂ Ｔ 《 钢 中 非 金属 夹 杂 物 测 定 标准 评 级 图 显 １ ０ ５ ６ １—２ ０ ０ ５ ， 微 检 验法 》 非 金属 夹 杂 物 为 硅 酸盐 类 和环 状 氧 化 物 类， 级 别ｉ ＝１． ５。
抽油杆疲劳断裂原因分析及对策
抽油杆疲劳断裂原因分析及对策胜利油田地质构造复杂、天然能量不足，所以有杆泵机械采油为主。
抽油杆断脱事故较多，直接影响了油井的正常生产。
造成抽油杆断脱的原因有内因，也有外因。
随着胜利油田的不断开发，井筒条件不断恶化，抽油杆断裂已经成为油井停产的重要因素，而疲劳断裂是其中的重要部分。
一、抽油杆失效原因分析1.1、概况近年以来，抽油杆失效已经成为影响胜利油田开发管理的深层次矛盾之一，2011年8-12月份作业油井统计：有杆泵维护作业154次，抽油杆断51井次，占33.1%，是影响全矿油井维护率的第一大因素。
1.2、抽油杆疲劳断裂原因分析影响抽油杆疲劳断裂的原因有很多，归纳起来主要有材料质量问题、超疲劳极限、超许用应力、施工及管理问题。
（1）锻造热影响区造成的抽油杆疲劳断裂抽油杆锻造热影响区即距外螺纹接头端面250毫米以内的抽油杆杆体部分。
资料表明抽油杆在锻造热影响区发生早期断裂的次数占总断裂次数的65%以上。
在锻造热影响区内，对锻造温度要求很严，温度过高过低都会影响金属组织，使抽油杆产生热塑性变形，从而产生高的残余拉应力，降低了材料的强度和韧性，致使发生早期疲劳断裂。
（2）超许用应力造成抽油杆断裂抽油杆在井下做上下往复运动，抽油杆在拉伸过程中可分为四个阶段：弹性阶段、流动阶段、强化阶段、局部变形阶段，这时在杆的某一部位会出现载面明显缩小，成为缩径，导致杆断。
为了节约不必要的重量和很好地将应力分布到长的抽油杆上，经常采用次级杆柱。
在一个总的杆柱中，根据井深和工作条件不同，可以采用几种尺寸的抽油杆。
问题在于确定总杆柱中每种尺寸杆的长度。
设计的最后一步，就是检验最大应力，根据改进的古德曼应力图计算出的应力，决不能大于允许工作应力，也不能超过允许应力范围。
我们以某井为例加以说明：该井于2007年2月28日改下70泵后，生产一直正常，2007年5月25突然不出，经现场及功图分析为断脱，仅仅生产了87天。
按照《采油技术手册》推荐的d级抽油杆组合二级组合（7/8inx3/4in）杆柱最大下入深度为φ70泵x720米, 抽油杆已超负荷运转,作业前生产正常数据见下表：该井杆为修复杆，根据所测光杆最小载荷可求出smin=最小光杆载荷/抽油杆顶部的横截面积最小光杆载荷——19.67kn抽油杆顶部直径25mm根据上式可求出smin=40兆帕，根据改进的古德曼应力图可求出sa=(198.5+0.5625smin)xsxf=（198.5+0.5625x40）x0.9=198兆帕(系数按照盐水介质)而实际上根据悬点载荷计算出的最大应力sa=最大光杆载荷/抽油杆顶部横截面积=158.8兆帕>sa-smin=198-40=158兆帕，超过了允许工作应力范围,属于疲劳断裂.。
油田钻具失效原因分析及控制措施研究
油田钻具失效原因分析及控制措施研究随着能源需求的不断增加，油田开采也越来越受到关注。
而钻具作为油田开采的关键设备之一，其失效对于油田开采的影响非常大。
本文主要研究油田钻具失效的原因及控制措施。
1. 磨损钻具在高温、高压、高速条件下进行作业，由于受到地层中石英等硬质颗粒物的磨损，会导致钻具零件表面的磨损和疲劳性断裂。
2. 腐蚀油井内地下水含氧量较高，有机酸等腐蚀物质也较为丰富，这些物质都会对钻具及其零部件产生腐蚀，使钻具失效。
3. 应力损伤钻具经历高频破碎冲击、挤压及弯曲应力等多重应力，并且长时间处于高温和高压状态下，容易发生塑性变形和应力集中，导致钻具应力损伤。
4. 疲劳断裂钻具长期在高温、高压、高速及大力场作业条件下，使其零部件经历反复应力作用，容易产生疲劳断裂失效。
5. 加工缺陷厂家在进行钻具零部件的生产和加工过程中，如果存在缺陷，例如表面裂纹、杂质、夹杂等，会影响钻具的力学性能，从而影响其使用寿命。
1. 加强检测和质量控制在生产钻具的过程中，加强对钻具零部件的检测和质量控制，尽可能排除其中存在的加工缺陷和质量问题，提高钻具的可靠性和安全性。
2. 加强维护和保养及时清理和更换钻具零部件，保养润滑系统和电机等，维持设备的优良状态，减少钻具的磨损和腐蚀等失效问题。
3. 采用合适的钻具材料选择合适的钢材和合金材料，具备高强度、耐磨、耐蚀和耐高温的特点，提高钻具零部件的力学性能和使用寿命。
4. 拓宽钻井液体系钻井液中添加防腐剂等物质，减少腐蚀对钻具的影响。
另外，根据地层情况，调整钻井液体系的比例，使其更加适用于不同类型的地层。
5. 设计优化改善钻具的结构和设计，优化設備性能，减少应力集中和疲劳受损，提高设备的可靠性和使用寿命。
综上所述，钻具的失效原因众多，需要从加强质量控制、加强维护和保养、合理使用、合理设计等多个方面入手，综合使用各种技术手段和管理方法，才能有效地控制其失效，提高油田开采效率，保障设备安全。
钻杆失效原因分析
钻杆失效原因分析2008年09月28日星期日钻杆失效原因分析在钻井过程中，钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果，甚至使井报废。
我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起，经济损失巨大，每年进口各种规格的钻杆就要耗用数亿元人民币的外汇。
随着浅层资源的不断枯竭，今后越来越多的钻深井、超深井，钻杆的安全可靠性就成为一个十分突出的问题。
钻杆失效一般表现为本体断裂和刺漏，钻杆螺纹处失效等。
原因大致是由以下一些因素引起的：钻进时钻杆的基本力学工况，钻具的组合及钻井工艺，井径规则性，偏磨，螺纹密封脂，钻井液，钻杆结构和材料，地层因素，井内腐蚀介质等，以上因素交互作用的结果导致钻杆失效。
钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。
如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。
钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在远远小于100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。
刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。
除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。
钻具组合及钻井工艺钻杆作为一个旋转的细长弹性杆件，有其固有振动频率，钻具的组合决定了此固有频率。
钻杆旋转时还会产生纵向、横向和扭转3种形式的振动，当它们的频率与固有频率相吻合时则产生共振。
共振的结果会在原来钻杆疲劳应力的基础上附加一个额外的疲劳应力，加速钻杆的失效。
采用长效螺杆钻杆替代转盘钻定向井、水平井的钻井工艺可以减少钻杆的旋转弯曲疲劳程度。
如牙轮钻头轴产生的纵向振动频率与钻头－钻柱系统的固有自振频率相同时会出现共振，使钻头的振幅增大，产生极大的冲击载荷，加剧钻杆疲劳。
论钻具失效的原因及使用探讨
论钻具失效的原因及使用探讨作者：李亭李茂国宋广涛来源：《企业文化·中旬刊》2013年第02期摘要：本文描述了钻具失效的形式，分析了钻具失效原因，并提出了相应的管理使用措施和建议。
关键词：钻具失效形式失效原因管理使用钻具失效主要是指钻具完全不能使用或仍然可以使用但达不到令人满意的功能或受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须修理或更换。
由于钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失，因此有必要对钻具失效进行大量调研和相关的分析研究，找出钻具失效的主要原因，从而采取相应的管理措施，提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，提高深井钻井速度，进而提高整体钻进效率和技术水平。
一、钻具失效的形式钻具失效的形式多种多样，概括起来主要有以下三类，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。
（一）过量变形钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭转。
（二）断裂断裂在钻柱事故中占的比例较大，危害也较严重。
主要包括以下几种：1.过载断裂。
如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；顿钻时的钻柱体折断。
2.低应力脆断。
在整个钻具失效中占相当大的比例。
钻杆、钻铤和转换接头处均有发生，如钻杆焊缝的脆性断裂、钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。
这种断裂的原因是疲劳损伤。
其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故。
所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。
3.应力腐蚀断裂。
是钻具失效的常见形式。
如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）时的应力腐蚀开裂。
4.氢脆断裂。
当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。
实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
5.疲劳断裂。
失效主要发生在中和点附近，在这个位置要反复承受交变应力的影响，且钻具公母扣的根部也是钻具应力集中点，易发生疲劳失效。
文南油田油管断裂失效分析与预防措施探讨
后 ， 在 文 ３— ２ 又 ３ ３ ５井 和 文 ３ — ５ ３ １ ７井 再 次 出 现 油 管 断裂失效 事 故 。
起 始 区域 ；右 半 部分 的断 口表 面 与油 管轴 线 成 ４ ｏ ５ 的 夹 角 方 向撕 裂 ， 断 口表 面光 滑 ， 个 断 口表 面 但 整 没 有 明显 的 塑性 断 裂特 征 据断 裂 部 位 的表 面特 根 征宏 观分 析 为脆性 断裂 。 ２２ 断裂 油管 的微 观特 征 ． 用 扫描 电镜 （Ｅ 观察 断 裂 表 面 ， 了在 螺 纹 Ｓ Ｍ） 除 根部 ， 即断 裂 的 起 始 位 置 存 在 少 量 撕 裂 峰 外 ， 个 整
参 数见 表 １
２ 断裂油管的特征 分析
２１ 断 裂 油 管 的 宏 观 特 征 ． 文 ３— ５ ３ １７井 油 管 的 断 裂 位 置 ，位 于 自上 而 下
２ １ ｍ 处油 管 公扣 螺 纹 的 根部 末 端 （ １ ， ０． ６ 图 ） 长度 为
表 １ 油 管 断 裂井 的基 本 参 数
ｔ ｅ ｅ ｉ ｔ ｅ ｆａ ｔ ｅ ａ ｅ ｄｓ ｕ ｓ ｄ． ｏ ｐｒｖ ｎｔ０ｌ ｕｂ ｒ ｃｕｒ ｒ ｉｃ ｓ ｅ Ｋｅ ｒｄ Ｗ ｅ ａ ｌ ｅ ｄ ；ｏｌｔ ｂｅ ｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｐ ｏ ｕｃｉ ｎ ｔｅ ｒ ｔ ｆｏｌｐ ｏ ｕｃｉ ｎ； ｅａ ｌｇ ａ ｈｉ ｔｕ ｔ ｒ ｙ ｗｏ ｓ ｎｎ ｎ ｏｉ ｌ ｓ ｉ ｕ ；ｆａ ｔ ｒ ；ｏｌ ｒ ｄ ｔｏ ｒｅ； ａｅ ｏ ｉ ｒ ｄ ｔｏ ｍ ｔｌｏ ｒ ｐ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｆ
45钢阀杆失效机制分析
图４为在图３中 Ｎｉ－Ｃｒ保 护 层 的 局 部 放 大 面
扫组织形貌。结合图３和４可见，Ｎｉ－Ｃｒ层 的相 组
成主 要 包 含 白 色 的 γ－ （Ｆｅ，Ｎｉ）固 溶 体、灰 色 的 富 Ｃｒ相和黑色 的 球 形 ＳｉＯ２ 颗 粒。 从 图 ３ 中 可 见，阀 杆的局部区域已经发生了严重腐蚀。对于圆柱型的
－
１．０５
－
④
２９．５５
－
－
１５．８３
－
５０．５４ ０．５２
－
－
－
－
０．８
⑤
１１．６２ ２．１５ ４．６２ ６．０９ ６．９６ ８．４０ ６０．１７
－
－
－
－
－
⑥
３２．０６
－
－
１７．３８
－
４７．３５
－
－
－
－
０．７６ ０．７９
图３中可 见，样 品 截 面 组 织 分 为 三 个 主 要 区 域，即 ４５ 钢 基 体 、Ｎｉ－Ｃｒ保 护 层 和 腐 蚀 区 。
扫描电镜观察样品。利用扫面电镜观察机械剥离的 腐蚀产物颗粒和 腐 蚀 样 品 的 微 观 组 织 形 貌，利 用 Ｘ
阀杆 是 阀 门 的 一 个 重 要 零 部 件，用 于 阀 门 扭 矩 的传递 。 ［１］ 石油化 工 行 业 中 阀 门 常 在 氯 离 子、氟 离
射 线 荧 光 光 谱 仪 分 析 ４５ 钢 基 体 成 份 。
存在很多的二氧化硅颗粒，在富含氯离子和硝酸根的腐蚀环 境 下，较 多 的 二 氧 化 硅 颗 粒 容
易 构 建 腐 蚀 通 道 ，加 速 腐 蚀 进 程 ，导 致 阀 杆 过 早 失 效 。
关键词 ：４５钢；阀杆；腐蚀；失效
一种钻井设备故障检测维护装置[实用新型专利]
![一种钻井设备故障检测维护装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/78d5452d08a1284ac85043e9.png)
专利名称：一种钻井设备故障检测维护装置
专利类型：实用新型专利
发明人：吴晓阳,王磊,夏光辉,崔年胜,王学农,赵小刚,刘甘勇申请号：CN201920718143.4
申请日：20190520
公开号：CN210049890U
公开日：
20200211
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种钻井设备故障检测维护装置，包括钻杆转速传感器，所述钻杆转速传感器设置在钻井钻杆处，用于检测钻杆的转速，所述钻杆转速传感器的输出端与第一控制器的输入端电连接，所述第一控制器的输出端与显示屏和警报器电连接，由显示屏显示钻杆的转速，当转速不在正常范围值内时，第一控制器控制警报器发出警报；本实用新型的优点在于：结构简单，使用方便，提高了生产安全性，降低了生产成本，便于设备的日常维护。
申请人：新疆克拉玛依市荣昌有限责任公司
地址：834009 新疆维吾尔自治区克拉玛依市白碱滩区东宾路23号
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：王昊
更多信息请下载全文后查看。
浅析石油钻具性能失效问题
7一、引言石油开采过程中，钻具性能直接影响着钻井速度及井筒的质量，其机械性能出现问题会引发故障问题，给企业带来不必要的经济损失，严重时还会威胁到钻井工人的生命安全。
因此需要不断加强对石油钻井机械性能的研究分析，采取必要的措施来提高机械自身质量，保证钻井过程顺利开展。
二、石油钻具性能失效问题1.疲劳失效。
通过对石油钻井过程钻具性能运行情况的分析，发现其是存在着疲劳情况的，而这些疲劳问题会直接影响到钻具的运行效率和钻井质量。
该国成为那个是一个缓慢积累的过程。
一般情况下，疲劳强度造成的钻具失效同设备运行环境有着较大联系。
环境复杂，再加上维修保养不及时，就会使得设备时刻处于高负荷运行状态，进而产生疲劳失效的情况。
2.超载断裂失效。
钻具断裂是危害较严重的一类钻具失效事故。
钻井过程中，当钻具长时间处于高负荷运行的情况时，就会对钻具薄弱处易发生断裂。
例如，在钻头牙轮超负载情况下，可能会出现断齿失效的现象。
当钻卸扣力度相对较大时，会使得钻杆发生断裂的故障，从而出现整体钻井事故问题。
3.形变失效。
钻具零部件的塑性变形也是钻井机械系统失效主要因素，一般情况下，这种问题的发生主要是由于钻井机械载荷较大，使得冲击力较大，从而造成钻具零部件的机械变形问题产生。
例如，在钻井泵的传动齿轮运行的时候，一旦出现了齿面硬度不达标的情况，就会使得系统在长期重载下发生挤压变形，从而使得齿轮出现失效问题，影响钻井机械效率和质量4.磨损失效。
钻井设备在石油开采过程中的特殊性，极易发生摩擦损耗的情况。
钻具钻进过程中的磨损主要是粘着磨损，接头螺纹部分的磨损多为此类，内外螺纹旋合摩擦，表面温度迅速升高，使内外螺纹表面发生粘结，钻杆脱扣一般属于粘着磨损。
钻具在钻井液不断冲蚀下造成冲蚀磨损，如果钻井液中有杂质、井壁的颗粒等对螺纹的磨损多属于磨料磨损。
钻具在交变接触应力作用下，表层产生塑性变形，表层薄弱处产生裂纹，表面疲劳磨损。
在坚硬地层中钻具磨损加剧，易产生摩擦裂纹。
柔性抽油杆断损故障的处理方法
柔性抽油杆断损故障的处理方法
于占军;刘国辉;蓝宗军
【期刊名称】《设备管理与维修》
【年(卷),期】2005(000)002
【摘要】连续柔性抽油杆(以下简称抽油杆)作为采油工具的一项革命技术，它的研究、推广、应用是一个涉及弹性力学、机械设计及配套采油作业等相关技术的系统工程。
由于柔性杆材料为70号钢，强度高，且本体由多股钢丝绕制而成，其整体杆柱呈右旋状态。
因此，在柔性杆本体断脱事故中，其断裂部分易在井筒散花，加之每股钢丝刚性强，现有打捞工具无法实施打捞工作。
【总页数】2页(P24-25)
【作者】于占军;刘国辉;蓝宗军
【作者单位】辽河油田勘探局曙光工程技术处,辽宁盘锦市,124109;辽河油田勘探局曙光工程技术处,辽宁盘锦市,124109;辽河油田勘探局曙光工程技术处,辽宁盘锦市,124109
【正文语种】中文
【中图分类】TH1
【相关文献】
1.抽油机井杆管断脱故障的分析 [J], 李东辉;张荣奇
2.抽油机井抽油杆断脱原因分析及治理对策 [J], 李安国;靳永红;杜康;胡鑫
3.抽油杆断脱故障树分析 [J], 刘冬伟;王优强
4.人工神经网络技术对钢丝绳柔性抽油杆抽油机井故障诊断研究 [J], 姬广伟;王奎升
5.抽油杆防断脱工具心杆断脱原因分析及改进 [J], 赵炜;罗懿;邹皓;刘金林;刘晓瑜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
石油井口装置关键部件失效机理研究
石油井口装置关键部件失效机理研究发布时间：2022-09-05T02:32:17.231Z 来源：《建筑实践》2022年4月第8期(下) 作者：戴兵刘大勇徐婷婷[导读] 对于石油井口的装置，其在使用过程中涉及到很多安全方面的内容戴兵刘大勇徐婷婷江苏腾龙石化机械有限公司，江苏盐城 224500摘要：对于石油井口的装置，其在使用过程中涉及到很多安全方面的内容，若其中的关键部件失效会导致各种安全问题，特别是对于涂层剥落的阀门以及上法兰等。
本文作者根据自身的工作经验，对损伤零件的主要原因进行了分析，并确定了其失效机理，然后作者根据以往的经验对关键部件的失效提供了几点有效的解决方法，从理论和实践方面来提升石油井口装置关键零件的使用寿命。
关键词：井口装置；关键部件；失效机理对于石油井口装置，其在使用的过程中安全性和可靠性是最主要的影响因素，对石油的开采效率具有直接的影响，若关键部件出现失效问题，会导致石油的开采难度大大提升，严重时甚至会导致井喷事故的发生，威胁当地的生态平衡和员工的生命安全。
石油井口装置在使用的过程中包含了较多的元件数量，其中开裂失效较多的是上法兰和阀门，这些都属于关键部件，且对整个石油井口装置的正常运转具有重要影响。
对此，为了更好的保证石油井口装置的运行，需要对关键部件的失效机理进行分析，并采取科学有效的措施来解决，从而保证我国石油的正常开采和供应。
1 石油井口装置关键部件的失效原因分析1.1 腐蚀性损坏对于石油井口装置的关键部件失效，腐蚀性损坏是比较常见的，包含了缝隙腐蚀和晶间腐蚀等，石油井口装置处于特殊的环境中，长期运行会受到石油内部腐蚀性物质的影响，加上日常运行过程中的机械力影响，最终造成腐蚀问题，引起金属破裂和疲劳腐蚀等问题，因此，在选择石油井口装置关键部件时，需要提高关键部件的防腐蚀性能，这样才能够保证关键部件的正常使用，保证石油开采的安全性和稳定性，当前常见的预防腐蚀的措施是在关键部件表面涂布一层抗腐蚀类的材料，并保证石油开采工作符合相关的作业规范，通过材料和工艺规范两方面措施来减少腐蚀问题的发生。
截止阀阀杆断裂失效研究
截止阀阀杆断裂失效研究摘要:我国社会经济呈现出高速发展态势，促进和带动多个行业加快发展的脚步，其中化工行业最具代表性。
化工行业在发展过程当中，其内部的设备需要有抗高温、抗腐蚀等能力。
因此，本篇文章主要对截止阀阀杆断裂失效问题进行仔细的分析，之后提出问题改进的方法，希望能够在进一步提高设备可靠性、延长设备使用时间等多个方面起到一些帮助。
关键词:截止阀；阀杆；断裂；失效；现代工业发展过程当中，截止阀扮演的主要”角色“，与此同时，也是最受关注、使用最为广泛的阀门类型。
众所周知，衍生出来的产品有很多，例如：调节阀、节流型、截断型等多各种类的阀门。
但不可否认的是，如果阀门发生出现了问题，那么很有可能会对工业企业产生较为严重的影响，甚至企业无法再安全运行。
基于此，专业工作人员需要针对截止阀阀杆断裂失效问题进行仔细的研究。
1、概况在某核火电厂当中，发现SEC泵启动运行之后，不间断排气管在泵运行的过程当中，出现无水问题，原本不间断排气管是正常运行状态。
不间断排气管线上面的截止阀，经过工作人员的观察之后发现，指示开关块已经超过规定范围，之所以会发生这样的问题，专业工作人员针对阀门进行认真的分析，又进行拆解，最终发现截止阀阀杆出现断裂问题，阀芯已经掉落，所以SEC泵不间断排气管线已经被堵塞，无法正常、有序运行和工作。
在日常工作当中，阀门呈现出开启状态，只是在检修的过程当中，将其进行关闭。
因为内部是海水，所以工作人员以主动、积极的态度去寻找引发问题的主要原因，从而避免此类问题再次发生，有效延长阀门具体的使用时间，站在的多个角度、多个层次，分析多方面的问题。
众所周知，截止阀在化工生产过程当中是非常重要的”角色“，而且截止阀现如今已经得到了广泛的应用。
当工作人员参与到截止阀维修工作当中去之后，会发现这样的问题，即：会遇到较多的困难。
因为阀门密封面维修与其他位置相比较，非常复杂，而且对于质量也提出了较高的要求。
另外，截止阀最容易出现的问题就是泄露问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
轴剪切强度与阀杆最大扭矩的关系。 已知安全轴销最大剪切强度为 599 N / mm2 ，即
销轴剪切断裂时剪切力为：
F = τS
（ 1）
式中： F 为剪切力，N； τ 为剪切强度，N / mm2 ； S 为销
轴横截面积，mm2 ； 轴销断裂时的外加扭矩为
T = 2F·Ｒ
（ 2）
式中： T 为扭矩，N·m； F 为剪切力，N； Ｒ 为销轴处
进行了宏观、微观及化学成分分析。结果表明，阀杆的化学成分基本符合要求，阀杆断裂与其强度
不高及局部严重腐蚀有关。
关键词： 阀杆； 断裂； 腐蚀
中图分类号： TG115． 2
文献标识码： A
文章编号： 1008-1690（ 2014） 05-0077-04
Analysis on Fracture of Valve Stem of Oil Drilling Equipment
2． 1 阀杆断口（ 近起始区） 对阀杆断口起始区域进行扫描电镜分析。断口
近边缘起始区域较平细，局部呈挤压折叠的细小台 阶状形貌，高倍下可见该区域断面为变形的韧窝状 形貌，呈剪切塑性变形特征，如图 3 所示。
图 5 阀杆表面近断口区域腐蚀形貌（ SEI） Fig． 5 SEI morphology of the corroded valve stem
参考文献
［1 ］ JB / T 6842-1993，扫描电子显微镜 试验方法［S］． ［2 ］ GB / T 17359-2012，微束分析 能谱法定量分析［S］． ［3 ］ GB / T 13298-1991，金属显微组织检验方法［S］． ［4 ］ GB / T 4336-2002，碳素钢和中低碳钢 火花源原子发射光谱分
析方法（ 常规法） ［S］． ［5 ］ 孙国钧，赵社戌． 材料力学［M］． 上海： 上海交通大学出版社，2006．
櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊
5 化学成分分析
图 10 阀杆表面腐蚀物质能谱曲线 Fig． 10 Spectrum curve of corrosion substance on stem surface
在断裂阀杆上取样进行化学成分分析，结果如 表 2 所示。
《热处理》 2014 年第 29 卷 第 5 期
·79·
表 2 阀杆的化学成分（ 质量分数，% ） Table 2 Chemical composition of the valve stem （ mass fraction，% ）
阀杆半径，mm； 由式（ 1） 代入式（ 2） 可得
T = 2τ·S·Ｒ≈2305 N·m
（ 3）
由上式计算可得，阀杆细段区 （ 24 mm 直径区
域） 扭转断裂时的扭矩（ 断裂所需扭矩（ 2305 N·m） ，即在过载外力
作用下，阀杆要早于安全销轴断裂。
4 硬度测试
LIU Guoyong
（ 1． Shanghai Institute of Machine Building Technology Co．，Ltd．，Shanghai 200070，China；
2． Shanghai Engineering Ｒesearch Center of Metal Materials Modification，Shanghai 200070，China）
表 1 阀杆基体试样扭转试验结果 Table 1 Ｒesult of torsion test of the stem base sample
试样规格 / mm 24． 0
屈服扭矩 Tp0． 2 / （ N·m） 959
最大扭矩 Tm / （ N·m） 1356
根据以上试验结果及力矩平衡原理计算安全销
阀杆断口 宏 观 形 貌 如 图 2 所 示，断 口 直 径 约 24 mm，基本呈横向分布。断面近边缘环周内可见
多个小块状塑变平滑区，呈棘轮状分布，拟为切应力 下多源启动的切断所致； 断面心部区域较粗糙，可见 有扭转流变的条纹分布，断口中心沿扭转方向呈向 上凸起状，拟为扭转断裂后期瞬间正应力作用所致。 断口整体呈过载性扭转断裂特征，近边缘拟为起始 区，心部为终断区。断口附近阀杆表面可见多处黄褐 色锈蚀斑区分布，表明阀杆曾受腐蚀性介质影响。
元素 阀杆 1Cr13（ 企业技术要求）
C 0． 15 0． 08 ～ 0． 15
S 0． 005 ≤0． 025
Si 0． 43 ≤1． 00
Mn 0． 48 ≤1． 00
P 0． 029 ≤0． 025
Cr 12． 45 11． 5 ～ 13． 5
Mo 0． 01 ≤1． 00
Ni 0． 18 ≤0． 60
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡 ～ 测试与分析 ～
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡
石油钻采设备用阀杆断裂失效分析
刘国永1，2
（ 1． 上海市机械制造工艺研究所有限公司，上海 200070； 2． 上海金属材料改性技术研究中心，上海 200070）
摘 要： 石油钻采设备中的 1Cr13 阀杆在使用过程中出现卡死、断裂现象。对阀杆的断口及螺纹卡死区域
对阀杆氮碳共渗区域表面进行维氏硬度测定， 结果为 743 HV0． 1、808 HV0． 1、872 HV0． 1 （ 企业技 术要求≥900 HV） 。在阀杆的横截面上进行布氏硬 度测定，结果为： 231 HBW、235 HBW、235 HBW （ 企 业技术要求 197 ～ 235 HBW） 。由以上硬度测定结 果可看到，阀杆表面氮碳共渗段未达到相关热处理 技术要求。
Abstract： 1Cr13 steel valve stem of oil drilling equipment deadlocked and fractured in service． The fracture of
valve stem and the deadlock zone of thread were subjected to macroscopic，microscopic and chemical composition
analysises． The results show that the chemical composition of valve stem come up to the standard on the whole，and
that the fracture of valve stem arises from its insufficient strength and being locally seriously corroed．
3 剪切及扭转试验
图 8 断面近心部终断区高倍形貌（ SEI） Fig． 8 SEI morphology of fracture center
在该区域的法向截面上进行金相分析。近阀杆 心部断口终断区域组织形貌如图 9 所示，可见断面 呈沿晶开裂形态，该区域组织为： 回火索氏体 + 带状 铁素体。
图 9 断口终断区组织形貌 Fig． 9 Microstructure of fracture ending area
（ 2） 为防止阀杆此类断裂的发生，原材料的化 学成分及后续表面处理一定要符合相关技术要求；
同时，系统安全轴销的强度与阀杆自身的最大扭矩 要匹配得当； 另外，考虑到使用环境中不可避免的腐 蚀性介质因素，建议改善表面处理效果亦或更换耐 腐蚀性能更好的材料。
致谢： 本失效分析是在我们所总工程师任颂赞 及检测中心主任陈德华的悉心指导下完成的。在 此，向他们表示衷心的感谢！
话： 021-56977377 × 744，E-mail： lgy040005@ 163． com
《热处理》 2014 年第 29 卷 第 5 期
·77·
图 2 阀杆断口宏观形貌 Fig． 2 Macroscopic morphology of the valve stem fracture
2 微观分析
图 7 断口下侧裂纹区域组织形貌
Fig． 7 Microstructure of crack under the fracture
2． 2 阀杆断口（ 近心部终断区）
图 4 阀杆表面近断口区域凹坑形貌（ SEI）
对阀杆断口心部终断区域进行扫描电镜分析。
Fig． 4 SEI morphology of the pit in the valve stem surface
1 宏观分析
阀杆断裂位置如图 1 所示。可见断裂发生于阀 杆氮碳共渗部位截面突变区域的根部，阀杆近断口 区域表面基本呈黑色，并可见局部有黄褐色的锈蚀 状斑点。阀杆近端部配有一直径约 12． 4 mm 的销 轴，为阀杆的安全销，销轴一方面与杆套起到连接作 用，另一方面在阀杆卡死、过载时其会优先断裂，而 断裂阀杆的销轴并未出现断裂现象。
图 3 断口边缘起始区域高倍形貌（ SEI） Fig． 3 SEI morphology of the fracture starting area
阀杆表面近断口区域有多处细小凹坑分布，高 倍下可见这些凹坑内呈腐蚀形貌特征，局部凹坑周 围有细小龟裂纹分布，如图 4、图 5 所示。
图 6 断口起始区域组织形貌 Fig． 6 Microstructure of fracture starting area
2． 3 X 射线能谱分析 对图 5 所示凹坑内物质进行能谱分析，能谱曲
线如图 10 所示，可见该区域含有 Cl、S 等元素，表明 阀杆在服役过程中受到含 Cl、S 等元素的腐蚀性物 质影响。
对阀杆匹配的轴销进行剪切强度测定，结果得 出剪切强度为： 599 N / mm2 。在阀杆完好区域取样 进行扭转试验，结果如表 1 所示。
surface area near to the fracture
在该区域的法向截面上进行金相分析。近断口 起始区域组织为： 回火索氏体 + 少量碳化物，组织较 均匀，未见明显与断裂相关的夹杂物类缺陷分布，近 断面处组织有流变现象，如图 6 所示。