钻具失效分析

钻具失效分析

一、失效分析概论

1、失效的定义

部件或零件处于下列状态之一时:

, 完全不能工作;

, 可以工作，但功能效果不能令人满意;

, 受到严重损伤，可靠性、安全性受到影响。

2、失效的过程与分类

过程:损伤萌生------积累扩展------破坏。

分类:疲劳破裂失效---------过程比较长，发展速度比较缓慢;

解理断裂失效---------过程短，速度快。

3、失效分析的意义

失效分析———按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。意义有:

, 减少和预防同类失效现象重复发生;

, 为技术开发、技术管理、技术改造和进步提供信息、方向、方法

和途径;

, 为事故责任认定提供科学的技术依据;

, 是质量管理中重要组成部分。

4、失效分析的基本思路

, 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式

及主要失效抗力指标;

, 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入

分析各种失效现象的本质，揭示失效机理。

, 在对零部件力学条件、环境条件、产品质量和使用情况进行综合分析

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基础上，确定造成失效的原因。

, 研究失效抗力指标与材料因素、工艺因素、结构因素、载荷与环境及

使用因素的关系，提出预防失效再发生的措施。 5、失效分析的程序和步骤失效分析程序图:

失效(故障)发生

调查加工和服役历史现场调查及残骸分析

初步观察分析

无损检测分析

宏观断口分析

截取试样

金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析

确定失效的性质

综合分析

确定失效的原因

下步改进的措施

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整个失效分析过程应重点抓着以下几个环节:

(1) 收集失效件的背景数据。主要包括加工制造历史、服役条件和

服役历史。

(2) 失效件的外观检查。包括:

, 失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、

断面解理形状等;

, 失效件表面的加工缺陷，如:焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、

裂纹等。

, 断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。

, 观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。

, 察看相联件的情况。

(3) 断口分析:断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对

断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点

的资料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断

裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到

断裂的主要原因。

(4) 实验室检测。主要包括:

, 化学分析---鉴定材料成分。

, 断口分析---用低倍显微镜和立体显微镜从各个角度观察断口

表面的纹理和特征。

, 金相分析---用金相显微镜分析失效件的显微组织，观察非金属

夹杂物，分析组织对性能的影响，检查铸、锻、焊、和热处理

等工艺是否合理，从材料内在因素查找失效的原因。

, 机械性能实验----对失效件切样进行机械性能实验，检查是否

符合性能要求。如冲击功实验、拉力试样、断裂韧性实验等。 (5) 综合分析:把所得的所有资料进行综合分析，弄清失效的过程

和规律，这是失效分析的重要环节。

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(6) 提出改进措施:分析的目的不仅仅是找出失效的原因，更重要

的是提出针对造成的原因提出改进的措施并进行改进，达到预

防和减少失效事故发生的目的。

另外还要注意采取辩证的方法进行分析，应具体问题具体分析，善于

抓主要矛盾和矛盾的主要方面。因为:

, 同样的材质因不同的服役条件，会有不同的失效类型和特征;

, 零部件个体性能的差异会导致失效期或使用有效期的差异;

, 由于组合装配的差异，导致受力情况的改变，终将成为失效的

罪魁祸首。所以还要注意不理想状态或过程积累对失效的影

响。

二、钻柱的服役条件及主要失效类型

1、钻柱的工作状态

在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻时，钻柱处于受拉状态;钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。

在转盘钻进时，钻柱好似一根细长的旋转轴。在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲;上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻柱成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。

成螺旋形的钻柱在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。

(1) 自转

---指整个钻柱在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨

损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。

(2) 公转

---钻柱在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，其轴线弯曲

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成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。

(3) 反公转

钻柱在自转和公转过程中，由于受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。

2、钻柱的受力分析

进行钻柱受力分析，对钻具损坏失效分析很有意义。钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不

同的位置作用着不同的载荷。

概括起来，钻柱在井内主要受有以下几方面力的作用: (1) 轴向力

有钻柱自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，"中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压力最大。

在钻井液中钻柱受到浮力的作用，轴向拉力会减小;在起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。

(2) 径向挤压力

起下钻作业时，卡瓦对钻柱产生的挤压力。管外液柱产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。

(3) 弯曲扭矩

弯曲力矩是因钻柱上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻柱受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻柱发生弯