水力振荡器断裂失效分析

分析了某油田水力振荡器振荡短节螺纹断裂失效行为，通过宏观分析、理化性能分析、断口微观分析、 强度核算等方法，系统的分析了该工具断裂失效因素，结果表明，在服役过程中，由于复杂的工况和自身材质的 影响，导致工具在应力集中区域产生了疲劳损伤，从而萌生疲劳裂纹，裂纹扩展直至断裂。

水力振荡器作为一种高效的钻井提速提效专用工 具，越来越广泛的用于石油钻井作业中，特别是在大位 移井水平井钻井作业过程中起到减摩降阻的作用。它集 机械剪切、水力和扭转冲击三种破岩方式于一体，利用 钻井液驱动内部构件，将部分流体能量转换成一定频率、 周向扭转冲击的能量，并直接传递给钻头，从而提高钻井速度。其特殊的工作原理，极易导致在工具局部产 生应力集中，在近钻头端的钻柱组合也让其在断裂失效 后后续处理变得更加复杂，因此有必要对其断裂失效进 行分析，确定断裂主因，避免再次发生。本次失效的为 某国产 8" 水力振荡器，失效形式为上部水力振荡短节母螺纹断裂。

截取螺纹断口两侧样品共 2 件，为 1 对匹配断 口，总长度为 424 mm，外径为 202.80 mm，内径为 74.32 mm，断口距内螺纹端面 128 mm，位于内螺纹小 端数第 1~2 扣螺纹部位，断口 50% 面积颜色较亮，断 口内侧螺纹根部存在应力台阶，断口扩展区较平坦，局 部扩展区呈扇形，可见贝纹线特征，形貌见图 1。断口 附近螺纹底部存在裂纹，在断口部位取样，对其纵截面 研磨抛光，螺纹底部的裂纹形貌如图 2 所示。

在水力振荡短节上取样，金相显微镜下观察其金相 组织，其内层和壁厚中心的金相组织为回火索氏体 + 少 量贝氏体，外层金相组织为回火索氏体，形貌见图 3。 进行非金属夹杂物评级和晶粒度评级 [2]，结果如表 4 所 示。由结果可知，该水力振荡短节 C 类夹杂物含量较高， 在 1 个视场内 C 类夹杂物长度总和为 1 044 mm，评级 为 3.0 级，形貌见图 4。

宏观分析表明，该水力振荡短节内螺纹接头小端数 第 1~2 扣螺纹发生断裂，断口起源于螺纹根部，存在应 力台阶，属多源疲劳特征；断口扩展区较平坦，呈扇形， 可见贝纹线特征，均符合疲劳断裂特征 ；断口附近螺纹 底部存在较多横向裂纹，裂纹扩展区较平直，这些裂纹 与断口平行，与断口的开裂机理相同。 力学性能分析表明，该断裂部件的抗拉强度、屈 服强度以及伸长率均满足了设计要求，纵向冲击吸收 功则低于设计要求的下限，布氏硬度在 317~326 HB 范 围内。 金相分析表明，该水力振荡短节内层和壁厚中心的 金相组织为回火索氏体 + 少量贝氏体，外层金相组织为 回火索氏体，晶粒度正常，为 8.5 级 ；C 类夹杂物含量 较高，为 3.0 级 ；螺纹底部的裂纹存在二次裂纹特征， 这些二次裂纹是沿夹杂物开裂的。 微观分析表明，断口源区存在应力台阶，断口附近 （与断口处于同一扣螺纹内）存在与断面平行的其他裂 纹，断口扩展区存在疲劳辉纹。 根据上述试验分析，可以推知该水力振荡短节内螺 纹断裂的失效机理为疲劳断裂。

内螺纹小端数前三至五扣螺纹区域承受的应力 较为集中，且水力振荡短节作为水力振荡器的主要储能 释放结构，其本身在整个工具中也是应力集中构件，二 者叠加，导致应力集中程度加大，这正是该水力振荡短 节内螺纹接头从该部位断裂的原因。（2）该水力振荡接 头的 C 类（硅酸盐类）夹杂物含量较高。夹杂物的存 在导致材料内部的不连续性，存在应力集中，尤其是硅 酸盐类夹杂物端部较尖锐，类似于裂纹等缺陷。在裂纹 扩展过程中，存在较多沿夹杂物开裂的二次裂纹，表明 夹杂物对本次断裂的扩展过程产生一定的影响。另外， 该水力振荡短节的冲击吸收功低于标准要求的下限，表 明该断裂部件的韧性较差，也跟夹杂物含量较高存在一 定的联系。（3）该水力振荡器所服役井身的最大全角变 化率为 6.55°/30 m，钻柱在较大全角变化率的井段钻进 时，必然承受较大的交变弯曲载荷，为水力振荡短节的 疲劳损伤提供了交变载荷。（4）对一些提速提效井下动 力工具，建议制定合理的检验周期，尤其是在较苛刻井 况使用时，合理缩短检验周期，及时更换缺陷部件。