螺杆钻具传动轴断裂失效分析
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螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下动力钻具，对传递 动力和输送泥浆有重要作用。钻具传动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。由于材料缺陷、地下地况复杂、 受力不均匀等原因，造成很多传动轴发生断裂，以下就是某 油田一根型号 216 螺杆钻具在累计使用 130h 后因憋泵起钻， 检查发现螺杆传动轴于下 TC 螺纹连接处断裂落井。为了查 清传动轴断裂原因， 对断裂的传动轴从宏观断口形貌、金相 组织、化学成分、力学性能以及微观成分定性方面对其失效 原因进行了分析。
1# 试样尖角处
图 4 索氏体 + 铁素体
2# 试样内边缘处
2# 试样左上方处
图 3 断口表面形貌
力学性能
屈服、抗拉和冲击功都符合标准要求。
断面凹坑微观分析
将传动轴壳体上断口凹坑部位用线切割切开，因凹坑较 深，无法对凹坑部位进行清理和观察，然后用线切割将凹坑 从中间剖开，并进行清理，重点检查凹坑附近夹杂物情况； 用扫描电镜观察凹坑断口形貌；对凹坑左侧光亮部位进行能 谱分析。
O 3.27 4.55 3.59 0.52 2.98 1.73 4.55 0.52
图 1 上断口形貌
图 2 下断口形貌
-86-
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CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018·中国科技信息 2018 年第 14 期
61 万～ 200 万◎
1# 试样沟槽处
讨论
1）金相和化学分析结果表明，断口附近的组织为正常 的调质组织， 断口附近的化学成分正常。
编号 1#
标准
C 0.40
0.37 － 0.44
Si 0.23
0.17 － 0.37
Mn 0.72
0.5 － 0.8
表 1 化学成分
P
S
0.016
0.0066
≤ 0.020
≤ 0.010
Cr 0.77
0.60 － 0.90
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◎ 61 万～ 200 万
中国科技信息 2018 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018
图7 谱图 1 谱图 2 谱图 3 谱图 4 平均 标准偏差 最大 最小
在状态 是 是 是 是
C 6.98 8.47 8.55 0.73 6.18 3.70 8.55 0.73
1058
941
1077
968
980
835
断后伸长率 A% 15.0 14.5 14.5 12
断面收缩率 Z% 59 59 60 55
表 4 冲击试验
试样编号 1 2 3
标准
冲击试验（实验条件：GB/T 229 － 2007） 缺口类型
U U U U
冲击功（J） 90 88 92 78
-87-
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Ni 1.48
1.25 － 1.65
Mo 0.17
0.15 － 0.25
表 2 非金属夹杂物
编号
1# 2# 标准
非金属夹杂物评级
A细
A粗
B细
B粗
C细
C粗
D细
D粗
Ds
1.0
0.5
1.0
0.5
0
0
1.0
2.5
2.5
1.0
0.5
1.0
0.5
0
0
1.0
0.5
1.0
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
1.0
2.0
1.5
1.5
1.0
1.5
断口微观分析
用扫描电镜进行观察，断口表面主要是以韧窝特征为主
及少量准解理特征（如图 4）。
化学成分分析
对传动轴化学成分进行分析，结果如表 1 所示： 化学成分符合标准。
金相分析
从传动轴下断口凸台中间部位截取两块试样，对其化学 成分、金相组织、硬度等进行检测。
金相组织：索氏体 + 铁素体，组织较为均匀。 试样由内至外表硬度 HRC 分别为 34.5、35.0、34.6、 35.7，硬度较均匀。 金相观察： 见表 2 对非金属夹杂物评级结果如下： DS 类夹杂物超标，夹杂颗粒引起的应力集中和与基体 材质力学行为的差别都可以导致疲劳裂纹优先发生。
断口分析 断口宏观分析
下断口破坏较为严重，因此重点对传动轴上断口进行观 察，由图 1 可以看出，图右侧有一个长约 10mm、深约 5.5mm 的较大凹坑，与之相对的下断口凸台已被磨平（如图 2）， 2# 区域的右下侧（紧靠台阶处）有疲劳弧线形貌，其曲率中 心在凹坑一侧。从断口整体宏观判断，凹坑处为裂纹源区， 2# 区域的撕裂台阶处为瞬断区，两者并非 180°对应，而 是在旋转方向侧呈现一定角度，据此判断断裂性质为旋转弯 曲疲劳断裂。
1.5
1.5
备注 Ds 类 70um
/ /
表 3 拉伸试验
试样编号 1 2 3
标准
原始标距 L0mm 50 50 50 50
原始直径 d0mm 9.98 10.00 10.01
10±0.03
拉伸试验（实验条件：GB/T 228.1 － 2010）
抗拉强度 RmN/mm2 1079
规定塑性延伸强度 RP0.2N/mm2 968
industry
中石化江钻石油机械有限公司技术中心 基金项目：国家重大科技专项“深层页岩气开发关键装备与工具研 制——钻完井关键工具研制”（2016ZX05038 － 005）
影响力
真实度
行业关联度
吴 益 螺杆钻具传动轴断裂失效分析
采用断口宏微观分析、化学成分分析、金相分析、力学性能测试、 实际服役环境结合有限元分析对螺杆传动轴断裂失效的原因进行分析。 结果表明：螺杆传动轴发生的是旋转弯曲疲劳断裂；材质内部存在较大 不连续原材料缺陷促进了疲劳裂纹萌生，并导致最终断裂。
◎ 61 万～ 200 万
中国科技信息 2018 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018 DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2018.14.032
可实现度
可替代度
行业曲线
link
appraisement
金相检测
观察图 23 凹坑左侧断口外表面： 试样转弧部位表层附近有较多 Ds 类夹杂物（最高级别 为 2.0 级）。
电子探针分析
用电子探针分别对图 23 凹坑左侧金属光亮层和图 24 凹 坑右侧坑底进行成分分析，如图 33、34 所示，凹坑左侧金 属光亮层的元素含量和种类与边缘处基本一致，凹坑右侧坑 底含有两种异常元素 Cu 和 Zn。
1# 试样尖角处
图 4 索氏体 + 铁素体
2# 试样内边缘处
2# 试样左上方处
图 3 断口表面形貌
力学性能
屈服、抗拉和冲击功都符合标准要求。
断面凹坑微观分析
将传动轴壳体上断口凹坑部位用线切割切开，因凹坑较 深，无法对凹坑部位进行清理和观察，然后用线切割将凹坑 从中间剖开，并进行清理，重点检查凹坑附近夹杂物情况； 用扫描电镜观察凹坑断口形貌；对凹坑左侧光亮部位进行能 谱分析。
O 3.27 4.55 3.59 0.52 2.98 1.73 4.55 0.52
图 1 上断口形貌
图 2 下断口形貌
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CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018·中国科技信息 2018 年第 14 期
61 万～ 200 万◎
1# 试样沟槽处
讨论
1）金相和化学分析结果表明，断口附近的组织为正常 的调质组织， 断口附近的化学成分正常。
编号 1#
标准
C 0.40
0.37 － 0.44
Si 0.23
0.17 － 0.37
Mn 0.72
0.5 － 0.8
表 1 化学成分
P
S
0.016
0.0066
≤ 0.020
≤ 0.010
Cr 0.77
0.60 － 0.90
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◎ 61 万～ 200 万
中国科技信息 2018 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018
图7 谱图 1 谱图 2 谱图 3 谱图 4 平均 标准偏差 最大 最小
在状态 是 是 是 是
C 6.98 8.47 8.55 0.73 6.18 3.70 8.55 0.73
1058
941
1077
968
980
835
断后伸长率 A% 15.0 14.5 14.5 12
断面收缩率 Z% 59 59 60 55
表 4 冲击试验
试样编号 1 2 3
标准
冲击试验（实验条件：GB/T 229 － 2007） 缺口类型
U U U U
冲击功（J） 90 88 92 78
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Ni 1.48
1.25 － 1.65
Mo 0.17
0.15 － 0.25
表 2 非金属夹杂物
编号
1# 2# 标准
非金属夹杂物评级
A细
A粗
B细
B粗
C细
C粗
D细
D粗
Ds
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0.5
1.0
0.5
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2.5
2.5
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0.5
1.0
0.5
0
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1.0
0.5
1.0
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
1.0
2.0
1.5
1.5
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断口微观分析
用扫描电镜进行观察，断口表面主要是以韧窝特征为主
及少量准解理特征（如图 4）。
化学成分分析
对传动轴化学成分进行分析，结果如表 1 所示： 化学成分符合标准。
金相分析
从传动轴下断口凸台中间部位截取两块试样，对其化学 成分、金相组织、硬度等进行检测。
金相组织：索氏体 + 铁素体，组织较为均匀。 试样由内至外表硬度 HRC 分别为 34.5、35.0、34.6、 35.7，硬度较均匀。 金相观察： 见表 2 对非金属夹杂物评级结果如下： DS 类夹杂物超标，夹杂颗粒引起的应力集中和与基体 材质力学行为的差别都可以导致疲劳裂纹优先发生。
断口分析 断口宏观分析
下断口破坏较为严重，因此重点对传动轴上断口进行观 察，由图 1 可以看出，图右侧有一个长约 10mm、深约 5.5mm 的较大凹坑，与之相对的下断口凸台已被磨平（如图 2）， 2# 区域的右下侧（紧靠台阶处）有疲劳弧线形貌，其曲率中 心在凹坑一侧。从断口整体宏观判断，凹坑处为裂纹源区， 2# 区域的撕裂台阶处为瞬断区，两者并非 180°对应，而 是在旋转方向侧呈现一定角度，据此判断断裂性质为旋转弯 曲疲劳断裂。
1.5
1.5
备注 Ds 类 70um
/ /
表 3 拉伸试验
试样编号 1 2 3
标准
原始标距 L0mm 50 50 50 50
原始直径 d0mm 9.98 10.00 10.01
10±0.03
拉伸试验（实验条件：GB/T 228.1 － 2010）
抗拉强度 RmN/mm2 1079
规定塑性延伸强度 RP0.2N/mm2 968
industry
中石化江钻石油机械有限公司技术中心 基金项目：国家重大科技专项“深层页岩气开发关键装备与工具研 制——钻完井关键工具研制”（2016ZX05038 － 005）
影响力
真实度
行业关联度
吴 益 螺杆钻具传动轴断裂失效分析
采用断口宏微观分析、化学成分分析、金相分析、力学性能测试、 实际服役环境结合有限元分析对螺杆传动轴断裂失效的原因进行分析。 结果表明：螺杆传动轴发生的是旋转弯曲疲劳断裂；材质内部存在较大 不连续原材料缺陷促进了疲劳裂纹萌生，并导致最终断裂。
◎ 61 万～ 200 万
中国科技信息 2018 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2018 DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2018.14.032
可实现度
可替代度
行业曲线
link
appraisement
金相检测
观察图 23 凹坑左侧断口外表面： 试样转弧部位表层附近有较多 Ds 类夹杂物（最高级别 为 2.0 级）。
电子探针分析
用电子探针分别对图 23 凹坑左侧金属光亮层和图 24 凹 坑右侧坑底进行成分分析，如图 33、34 所示，凹坑左侧金 属光亮层的元素含量和种类与边缘处基本一致，凹坑右侧坑 底含有两种异常元素 Cu 和 Zn。