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水力振荡器断裂失效分析

返回列表 来源:未知 发布日期:2022-01-06 08:49【

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。

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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 + 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 示。由结果可知,该水力振荡短节 C 类夹杂物含量较高, 1 个视场内 C 类夹杂物长度总和为 1 044 mm,评级 3.0 级,形貌见图 4

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宏观分析表明,该水力振荡短节内螺纹接头小端数 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 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。