钻杆摩擦焊接头断裂失效分析

钻杆摩擦焊接头断裂失效分析

郝大勇,张俊，李国民,龙志宏，颜腊红，齐高良

（冀东油田公司勘探开发工程监督中心，河北唐山 600332）

摘要：通过宏观断口分析、扫描电镜微观分析、显微组织分析、化学成分分析、XRD物相分析以及硬度测试等手段对油田钻杆摩擦焊接头断裂原因进行了分析，结果表明：断裂位于杆头和杆体连接的焊缝处，是典型的脆性断裂破坏；在断裂杆头和杆体近断面部分存在大量摩擦焊“灰斑”缺陷，X 射线衍射分析表明灰斑主要成分为Fe3O4；灰斑的存在大大减低了焊接接头结合能力，从而导致钻杆在使用过程中出现脆性断裂。

关键词：钻杆；摩擦焊；脆性断裂；灰斑

Failure Analysis of Friction Welded Joint for Drill-rod

Hao Da-yong，Zhang Jun，Li Guo-min，Long Zhi-hong，Yan La-hong (Project Scrutiny Of Jidong Oil-Field Company, Tangshan, Hebei 600332，China) Abstract: This paper analyzed fracture of a friction welded joint for oil drill-rod by fractography analysis, SEM analysis, metallographic analysis, chemical composition analysis, XRD analysis and hardness test, presented that the fracture was a classical brittle failure. There were a great number of “gray spots”defect near the fracture surface, and X-ray diffraction analysis show that the chemical ingredient of the gray spots was Fe3O4.The gray spots defect was the main reason that reduced the combination ability of welding joint.

Key words: friction welding; failure analysis; gray spots

0引言

某油田机械厂采用摩擦焊工艺生产的加重钻杆，在某井正常钻进作业时发生断裂失效。该井设计井深3327米，断裂发生时已完成进尺2720米，钻压60MPa，转速40r/min，排量30m3/h，泵压13MPa。为找出钻杆的断裂原因，提高钻杆使用寿命，作者对发生断裂的摩擦焊钻杆断裂原因进行了理化检测和失效分析。

1 理化检验

采用扫描电子显微镜对失效钻杆的杆头断口进行观察和分析，在断面上选区进行X 射线衍射物相分析。

收稿日期：2008-03-11；修订日期：2008-12-15

作者简介：郝大勇(1982-)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，学士学位。

1.1宏观检验

失效钻杆的断裂位于杆头和杆体的摩擦焊接头的界面接合处（焊缝部位），沿钻杆纵向没有发生明显的塑性变形，呈典型脆性断裂特征。由图1和图2可见，钻杆的断面齐平，杆头一侧的断面整体呈青灰色，沿半径方向可分成三个颜色深浅不同的环形区域，大约在断面的1/2半径部位（壁厚中间区域）可观察到少量的塑性断裂凸台和凹坑。

图1 失效钻杆的宏观照片

Fig.1 Macrograph of fracture

图2 杆头断面的体视显微镜形貌

Fig.2 Fractography of rod head

1.2化学成分

分别从失效钻杆的杆头和杆体上取样在GS1000直读光谱仪上进行化学成分分析，结果见表1。可见除了失效钻杆的杆头钼的质量分数和杆体碳的质量分数略大于GB/T 3077－1999标准中40CrMoMo 钢的技术条件外，其余的化学成分都符合标准要求。

表1 失效钻杆的化学成分（质量分数/%）

Table1 Chemical Composition of failure drill-rod

项目 C Cr Mo Si Mn S P 杆头0.37 1.20 0.32 0.24 0.97 0.004 0.014 杆体0.47 1.05 0.28 0.22 1.05 0.008 0.012 GB/T

3077－

1999

0.37~0.45 0.90~1.20 0.20~0.30 0.17~0.37 0.90~1.20 ≤0.035≤0.035

1.3硬度检测

分别在失效钻杆的杆头和杆体靠近断口处取样，在洛氏硬度计上进行硬度检测，结果见表2。可见失效钻杆的硬度沿壁厚方向（横截面半径方向）呈梯度分布，由外壁到内壁硬度逐渐减小。这可能是由于焊后感应加热淬火时，沿壁厚方向加热温度不均匀造成的，因为感应加热时，管外壁的温度高于管内壁的温度，容易造成内壁部位加热温度不够而造成不完全淬火，导致硬度降低。

表2失效钻杆的硬度

Table2 Hardness of failure drill-rod

检测位置

外部

HRC

中间

HRC

内部

HRC

杆头（靠近断口

处）

36.5 35.0 20.4

杆体（靠近断口

处）

37.4 36.4 31.6

1.4显微组织

从失效钻杆的杆头和杆体分别截取纵向和横向试样。纵向试样经磨制、抛光后在光学显微镜下观察夹杂物。由图3可见，失效钻杆杆头试样的夹杂物非常多，主要为非金