钻具失效案例分析

3) 失效零件材料为韧性金属材料，失效环境温度在 该材料韧—脆转变温度以上；
4) 存在静载荷下(拉伸、扭转、弯曲……)工作条件。
5) 断口附近金相组织有明显的变形层。
6) 失效件表面镀层、添层、有机涂层……等覆盖的 脆性膜破裂。
7) 断口表面与零件表面呈45°角。
脆性断裂
钻铤公扣脆断
钻杆摩擦对焊区脆断（存 在灰斑缺陷或未焊透缺陷）
解理断裂特征
1) 断口宏观齐平，结构粗糙，在不同入射光角度观 察多有闪光小平面；高强度钢断口宏观形貌可见放射 状撕裂棱；薄板或薄壁零件可见到人字形花样。断口 附近无塑性变形； 2) 断口微观形貌主要为花流花样。 3) 断口微观形貌有解理舌、或鱼骨状花样、羽毛状 花样、解理扇等特征花样； 4) 失效件材料为高强度结构钢或晶粒粗大； 5) 失效件薄板或薄壁结构，失效处于应力集中处(三 向应力容易导致解理脆断)； 6) 失效环境温度低(低于韧性—脆性转变温态)。
5)
氢脆特征
1) 宏观断口表面洁净，氢脆断裂区呈结晶颗粒状亮灰色； 2) 显微裂缝呈断续而弯曲的锯齿状； 3) 微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界面上伴有变形线(发纹线、或 鸡瓜痕)； 4) 失效部位应力集中严重，氢致破断源位于表面；应力集中小，氢致破 断源位于次表面(渗碳……等表面强化零件多源于次表面)； 5) 失效应力主要是静拉应力，特别是三向静拉应力。
4) 金属零件失效断口宏观形貌具有光滑程度及形貌 不同的裂缝位置，裂缝扩展区(简称疲劳区)和瞬时区 特征；或在断口上见到光亮程度不同的两个区域，且 这两个区域不是由于材质(包括状态)不同而形成的； 5) 金属零件失效断口微观形貌具有疲劳条痕特征。
加厚过渡带腐蚀疲劳刺穿失效
腐蚀疲劳断裂特征
1) 存在交变载荷和腐蚀环境下工作条件，裂缝扩展深 度与应变应力服役时间和环境相对应； 2) 腐蚀疲劳裂缝源于表面或点蚀坑，随后向基体内部 扩展。
2002年长庆气田共发生钻具失效事故193起。其中钻 铤155起，占80.3％。钻杆37起，占19.2％。转换接 头1起，占0.5％。 在155起钻铤失效事故中，母扣裂纹或断裂113起， 占58.5％。 公母扣刺坏的31起，占20.0％。公扣裂纹 或者断裂7起，占4.5％。 在37起钻杆失效事故中，管体加厚过度带部位刺穿 的24起，占64.9％。公扣断裂的2起，占5.4％。扣刺 坏的5起，占13.5％。吊卡台肩裂纹6起，占16.2％。 转换接头失效是因螺纹刺坏而失效。
塔里木油田钻具失效情况
1995-2000失效部件比例图 减震器 5% 其它 4% 钻铤 35%
加重钻杆 8% 扶正器 11%
接头 16%
钻杆 21%
失效形式统计结果
应力腐蚀 断裂 6% 韧性断裂 6% 其它类型 6%

脆性断裂 16%
疲劳断裂 66%
钻具主要失效形式
变形：包括钻具拉长、挤扁、弯曲、粘扣等； 断裂：包括脆性断裂和塑性断裂； 磨损：包括冲蚀磨损； 腐蚀：包括均云腐蚀和坑腐蚀；
钻具失效案例分析
钻柱力学分析
钻柱自重和泥浆浮力作用在 钻柱上，产生拉伸或压缩作 用力
井眼弯曲或钻柱承受 超过临界屈曲载荷而 弯曲，这是导致钻柱 疲劳的主要原因之一。
钻柱承受扭转力， 当扭转力过大时可 能导致钻具弯曲变 形、胀扣、粘扣等 失效。
钻柱的公转与振动。
结果导致钻具偏磨、疲劳断裂。
长庆油田钻具失效情况
6) 氢脆破断临界应力极限σH随着材料强度的升高而急剧下降。一般硬度 低于HRC22时不发生氢脆破断而产生鼓泡；
应力腐蚀：包括H2S应力腐蚀和氢脆；
疲劳断裂：包括腐蚀疲劳。
钻具拉伸变形
失效原因：过载
钻杆弯曲变形
失效原因：井眼 “狗腿度”太大导 致
内螺纹接头胀扣
过载断裂
断于管体
断于摩擦对焊处
过载断裂的特征
1) 断口宏观形貌粗糙、色泽灰暗、呈纤维状；边缘 有与零件表面呈45°角的剪切唇。断口附近有明显 的肉眼可见的塑性变形(如残余扭角、挠曲、变粗、 缩颈、鼓包……等)； 2) 断口微观形貌主要是韧窝花样；
塔里木油田钻具失效情况
塔里木油田2001年-2003年6月共发生钻具失效事 故157起，其中钻杆121起，占77%，大部分为加 厚过渡带消失部位刺穿失效，钻铤21起，占13%， 全部为公母扣断裂或刺漏失效。
140 120
失效次数
121
100 80 60 40 20 0 钻杆 加重钻杆 方钻杆 钻柱构件 钻铤 其它 5 6 21 4
5) 存在过烧或过热的温度经历或温度环境；
6) 失效部位存在局部三轴向工作应力条件； 7) 存在晶界弱化致脆的环境条件。
座吊卡台肩疲劳断裂
疲劳断裂特征
1) 金属零件是在变动载荷作用下服役；
2) 金属零件疲劳破断失效是一个裂缝萌生，裂缝稳 定扩展和最后裂缝临界扩展瞬断过程。但失效是突发 性。 3) 失效件断口附近无宏观塑性变形特征：且裂缝扩 展区的大小与服役时间成正比；
沿晶断裂特征
1) 宏观断口匹配断面能很好地吻合一致，绝大部分 断口结构粗糙呈颗粒状； 2) 断口微面形貌显示沿晶分离，晶界面上多显示光 滑无特征形貌或少量韧窝花样、撕裂痕、变形线；
3) 晶界上存在有杂质元素如P、S、AS、Se、Sb、Te、 Si、Ge、Sn……等；
4) 存在回火脆温度经历或温度环境；
3) 宏观断口附近无塑性变形，疲劳区因腐蚀介质作用 及产物在该区留存，而失去金属光泽；
4) 微观断口由于腐蚀介质作用，疲劳条痕模糊不清； 6) 工作环境具有液态、气态腐蚀介质或潮湿空气； 7) 属多源疲劳。
5) 断口表面腐蚀产物成份与工作环境介质成分相对应；
氢脆和应力腐蚀
应力腐蚀特征
1)存在应力(拉应力)和敏感的腐蚀介质下工作条件； 2)宏观断口由应力腐蚀破裂区(源区和应力腐蚀裂缝 扩展区)一般呈暗灰色，断口组织粗糙，伴有腐蚀产 物复盖；瞬断区新鲜断口呈纤维状并伴有幅射棱线 (有时由于环境污染呈腐蚀性灰色) 3)应力腐蚀裂缝形貌呈树枝状，分叉裂缝系腐蚀产物 4)微观断口形貌有腐蚀产物。若属沿晶应力腐蚀破断， 微观晶粒外形轮廓因腐蚀而模糊不清，晶界加宽，晶 界面上常有细小腐蚀坑或核桃纹；若属穿晶应力腐蚀