鑽桿是鑽油氣井的重要工具，其主要由管體和接頭通過摩擦焊接連接組成。在鑽井作業的過程中，鑽桿通過接頭螺紋部位進行連接，鑽桿接頭承擔著連接鑽柱、傳遞扭矩和拉伸載荷等重要作用。鑽桿接頭的尺寸比鑽桿管體要大，且接頭螺紋處結構應力集中現象較明顯，是鑽柱最薄弱的部位。
鑽桿接頭的服役條件較惡劣，接頭在使用過程中會受到多種載荷的複合作用，並受到鑽井液、地下水和油氣中腐蝕介質的腐蝕，因而在鑽井過程接頭經常發生失效造成井下事故。此外，鑽桿在服役過程中在扭矩的作用下會發生自轉，但是在卡轉、憋鑽時也會由於慣性作用發生反轉，使上扣扭矩不足的鑽桿接頭出現螺紋鬆釦，同時，鑽桿在定向井、水平井的鑽進過程中會與井壁發生摩擦，在部分地層鑽桿受到很大的摩擦阻力，從而造成其接頭螺紋出現鬆釦，這會使鑽桿接頭螺紋在鑽進過程中產生動態載荷，最終發生早期的螺紋失效。
事故背景
2018年某鑽井公司在對一批起鑽後的鑽桿進行無損探傷時發現有多個接頭螺紋出現裂紋且發生刺漏，該批鑽桿接頭型號為NC50，接頭外徑為184.2mm，內徑為88.9mm，接頭材料為37CrMnMo鋼。
為查明該接頭螺紋出現裂紋及刺漏的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。
理化檢驗
1
宏觀觀察
取2個失效接頭(均為公接頭)編號為1，2號，分別進行宏觀觀察。
圖1 1號鑽桿接頭不同部位的宏觀形貌
由圖1可見，肉眼無法觀察到1號接頭螺紋上的裂紋，螺紋表面磨損較輕微且存在黃褐色腐蝕產物；接頭大端面有輕微磨損，靠近大端面的螺紋第1，2牙牙面鍍磷層較完整；接頭小端面塗層完好，說明小端面不存在磨損，小端面與接頭副臺肩面無接觸。
圖2 2號鑽桿接頭不同部位的宏觀形貌
由圖2可見，2號接頭靠近大端面的螺紋第3牙牙底存在一條裂紋，裂紋開口較大且沿著牙底呈周向擴展，由此推斷裂紋已貫穿整個螺紋壁厚；在大端面及靠近大端面的螺紋處存在較嚴重的沖刷腐蝕形貌，這說明主臺肩的密封面未起到密封作用。由1，2號接頭的宏觀形貌可知，接頭螺紋未上扣到位造成主臺肩密封作用較差，同時接頭螺紋第3牙處受到動態應力作用，在牙底產生裂紋，當裂紋貫穿後，鑽桿內部高壓鑽井液沿著螺紋牙底從密封端面噴出，由於流速較快，在較短的時間內就形成沖刷腐蝕形貌。
將1，2號接頭沿縱向對半剖開觀察接頭內壁的宏觀形貌。
圖3 1號接頭內壁的宏觀形貌
由圖3可見，1號接頭內壁塗層完好，螺紋第3牙和第2牙牙底的裂紋不明顯。
圖4 2號接頭內壁的宏觀形貌
由圖4可見，2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋已經貫穿到內壁，內壁裂紋周長約為130mm，裂紋兩側的塗層完好；螺紋裂紋從第3牙擴展到第2牙，第3牙和第2牙牙底裂紋深度分別為20，16mm，裂紋開口均位於螺紋牙底承載面一側。由1，2號接頭內壁的宏觀形貌可知，裂紋起源於螺紋牙底，而且螺紋第3牙牙底裂紋為主裂紋，推斷此處在服役過程中受到的應力最大；牙底裂紋在周向擴展的同時向內壁徑向擴展，最後貫穿整個壁厚。
2
磁粉探傷分析
採用CDG-6000A/9000A型熒光磁粉探傷機對1，2號接頭進行磁粉檢傷。
圖5 1號接頭螺紋磁粉檢傷結果
由圖5可見，1號接頭靠近大端的螺紋第3牙和第2牙牙底均有裂紋，第3牙裂紋長度約佔螺紋橫截面周長的一半，第2牙裂紋長度約為80mm。
圖6 2號接頭螺紋磁粉檢傷結果
由圖6可見，2號接頭螺紋第3牙貫穿的裂紋沿著螺紋牙底擴展到第2牙，裂紋周長大於螺紋所在橫截面的周長。
3
化學成分分析
在1號接頭上取樣，按照ASTM E415-08 Standard Test Method for Atomic Emission Vacuum Spectrometric Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel，用ARL 4460 OES型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。
表1 1號接頭的化學成分(質量分數)
％
可見接頭的化學成分符合API SPEC 5DP－2009(R2015) Specification for Drill Pipe對37CrMnMo鋼的要求。
4
力學性能測試
按照API SPEC 5DP－2009(R2015)，在1號接頭上截取規格為ϕ12.5mm的圓棒拉伸試樣、尺寸為10mm×10mm×55mm的CVN衝擊試樣以及厚度為10mm的條狀試樣。按照ASTM A370－2010 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products採用WAW-600型電液伺服萬能試驗機進行拉伸性能測試，按照ASTM E23-07a Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials採用JBN-300型擺錘衝擊試驗機進行室溫衝擊性能測試，按照ASTM E10-18 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials採用DHB-3000型布氏硬度計進行布氏硬度測試。
表2 1號接頭的拉伸性能測試結果
表3 1號接頭的衝擊性能測試結果
J
表4 1號接頭的硬度測試結果
HB
由表2和表3可見，1號接頭的拉伸性能、衝擊吸收能量和硬度均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)對37CrMnMo鋼的要求。
5
金相分析
在1號接頭的大鉗部位、螺紋第3牙牙底裂紋周長的中間部位、螺紋第2牙牙底裂紋周長的中間垂直於裂紋處取樣，試樣經過打磨、拋光，用體積分數為4％的硝酸酒精溶液浸蝕，根據GB/T 13298－2015«金屬顯微組織檢驗方法»採用GX51型倒置金相顯微鏡分別觀察1號接頭大鉗部位浸蝕後的顯微組織，以及螺紋第3牙牙底裂紋周長中間部位和第2牙牙底裂紋周長中間垂直於裂紋處浸蝕前後的顯微組織。
圖7 1號接頭大鉗部位浸蝕後的顯微組織形貌
由圖7可見，1號接頭大鉗部位的顯微組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級。
圖8 1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋處浸蝕前的顯微組織形貌
由圖8可見，第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口均位於牙底圓弧靠近承載面一側，裂紋整體走向較平直，第3牙牙底裂紋深度約為4mm，第2牙牙底裂紋深度約為2.5mm。
圖9 1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋開口和尖端浸蝕後的顯微組織形貌
由圖9可見，第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口兩側組織無明顯變化，仍為回火索氏體，裂紋尖端均較圓頓。
根據GB/T 13298－2015«金屬顯微組織檢驗方法»，在2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋處取樣，試樣經過打磨、拋光，用體積分數為4％的硝酸酒精溶液浸蝕後，採用GX51型倒置金相顯微鏡觀察顯微組織。
圖10 2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋不同區域的顯微組織形貌
由圖10可見，2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋的顯微組織整體形貌與1號接頭螺紋第2，3牙牙底裂紋的相似，裂紋開口也位於牙底承載面一側，裂紋沿內壁徑向擴展，深度約為17mm；裂紋開口、中部、近尖端和尖端兩側的顯微組織為回火索氏體，裂紋內部填充有黑色的腐蝕產物且裂紋尖端較細。
6
斷口分析
分別將1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋和1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋人為打開觀察斷口的宏觀形貌，並採用TESCAN VEGA II XMH型掃描電鏡觀察斷口裂紋尖端的微觀形貌。
圖11 1號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM形貌
由圖11可見，靠近牙底黃褐色部位為裂紋處，銀灰色部位為人為打開處，裂紋尖端(圖11a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產物，裂紋尖端斷口呈現出準解理＋韌窩形貌。
圖12 2號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM形貌
由圖12可見，牙底至銀灰色交界的黃褐色部位為裂紋處，銀灰色部位為人為打開處，裂紋尖端(圖12a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產物，裂紋尖端斷口呈現出準解理＋韌窩形貌。
分析與討論
由宏觀觀察結果可知，1號接頭靠近大端面的螺紋第1，2牙表面的鍍磷層完好，這表明公、母接頭螺紋上扣時，螺紋1，2牙沒有接觸，通過對鑽桿接頭應力分析發現，螺紋第3牙受到較大的應力集中作用，由於兩個失效接頭主裂紋都在第三牙牙底，推測螺紋第3牙為裂紋起源處。由金相檢驗結果可知，1，2號接頭裂紋開口均靠近螺紋牙底承載面一側，由此推測裂紋在產生和擴展時受到較大的拉應力。1號接頭螺紋牙底裂紋較淺。2號接頭螺紋第3牙牙底的裂紋已經貫穿到內壁，且鑽桿內部的高壓泥漿對靠近大端面一側的第1，2，3牙沖刷腐蝕較嚴重，同時大端面也受到一定程度腐蝕，這表明失效接頭上扣不到位，導致公、母接頭螺紋咬合較松，在服役的過程中，螺紋牙底受到動態載荷的作用。
2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋為泥漿沖刷腐蝕所致。這是因為該接頭臺肩面失去密封能力後，內部高壓泥漿在向外環空低壓處流動的過程中，由於高壓泥漿的衝擊載荷和腐蝕作用，接頭螺紋上的金屬發生流失和變形。2號接頭為雙臺肩鑽桿接頭，雙臺肩接頭設有主臺肩和副臺肩，其密封性與普通API(API SPEC 5DP－2009(R2015) Specification for Drill Pipe)標準接頭一樣，主要取決於主臺肩的接觸面壓力，副臺肩雖然能承擔部分扭矩，但密封作用較小。當接頭螺紋緊密連接後，由於螺紋本身無密封性，內外螺紋牙頂與牙底間存在間隙通道可流通液體，只要確保接頭主臺肩面密封良好，則不會發生泥漿沖刷腐蝕。由2號接頭的沖刷腐蝕形貌和斷口形貌分析結果可知，從螺紋外表面貫穿到內壁的裂紋起源於螺紋牙底的疲勞裂紋，內外螺紋主臺肩的密封性失效是導致接頭髮生泥漿沖刷腐蝕的根本原因，這主要與接頭材料及公、母接頭螺紋參數配合情況、接頭上扣扭矩等因素有關。
1
接頭材料分析
由理化檢驗結果可知，1號接頭的化學成分和力學性能均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)要求。由金相檢驗結果可知，1號接頭的顯微組織為回火索氏體。由斷口分析結果可知，裂紋已經大部分穿透螺蚊但未立即斷裂，這表明該接頭滿足鑽桿“先刺後斷”的設計要求，由此排除由接頭材料缺陷造成泥漿沖刷腐蝕導致接頭出現刺漏的可能。
2
公母接頭螺紋參數匹配性分析
鑽桿接頭只有內外螺紋參數相互匹配才能達到理想的連接預緊效果，內外螺紋如果存在錐度、螺距等參數誤差，也會造成螺紋連接配合不佳和密封臺肩面配合不到位，從而導致螺紋出現錯扣和粘扣，最終使密封臺肩面失效造成接頭髮生刺漏。但從公、母接頭的宏觀形貌來看，螺紋面並未出現錯扣和粘扣，由此推斷接頭內外螺紋匹配良好，由此排除由公、母接頭螺紋參數不匹配導致接頭出現刺漏的可能。
3
接頭上扣扭矩的影響分析
接頭上扣扭矩一般為API推薦的扭矩(非API接頭上扣扭矩為鑽具廠家推薦的扭矩)。雙臺肩接頭正常上扣時，首先公、母接頭的主臺肩發生接觸，此時公、母接頭和副臺肩存在約為0.25mm的間隙，當接頭上扣實際扭矩達到API推薦的扭矩時，主臺肩會發生彈性壓縮變形直到副臺肩也發生接觸。如果接頭上扣實際扭矩低於API推薦的扭矩，將會導致兩種結果：(1)導致內外螺紋接頭主臺肩面沒有足夠的接觸面壓，鑽井過程中接頭受到拉伸和彎曲載荷作用時，內外螺紋接頭的主臺肩面易發生分離，從而破壞接頭的密封性；(2)導致內外螺紋間配合鬆散，螺紋疲勞強度下降，從而引起疲勞裂紋。
由2號接頭的沖刷腐蝕形貌可推測出，該接頭在發生刺漏時，鑽桿中高壓泥漿有兩條流動的循環迴路，如圖13所示(實線箭頭代表由接頭副臺肩面開始的循環迴路，虛線箭頭代表由接頭螺紋牙底貫穿裂紋開始的循環迴路)。
圖13 2號接頭高壓泥漿流動循環迴路示意圖
由圖13可見，由於公、母接頭主臺肩面接觸壓力不足，副臺肩也接觸不良，在拉伸載荷作用下公母接頭副臺肩脫離接觸，泥漿從副臺肩進入螺紋通道。在旋轉彎曲載荷的作用下，主臺肩面局部短暫分離，高壓泥漿瞬間從內部刺出，副臺肩面也發生局部沖刷腐蝕。這個時期持續時間較短，形成的沖刷腐蝕較輕微，這與2號接頭副臺肩面的腐蝕沖刷形貌(見圖2b))一致。
在上扣扭矩不足和拉伸載荷的共同作用下，2號接頭內外螺紋間配合鬆動，螺紋牙底應力分佈發生變化，局部應力集中加劇，造成螺紋處疲勞強度下降，在該接頭螺紋第2，3牙牙底形成多條疲勞裂紋，這些裂紋由外向內擴展，當疲勞裂紋局部穿透後，在拉伸載荷作用下裂紋張開擴大，形成的通道比副臺肩面的間隙要大，此時高壓泥漿液主要從穿透的裂紋進入螺紋通道，極少從副臺肩滲透，最終從失去密封性的主臺肩面衝出。該階段高壓泥漿沖刷腐蝕持續時間長且破壞性較大，造成接頭裂紋至密封臺肩面之間的螺紋被大面積沖刷腐蝕，且沖刷腐蝕坑較深，最終形成接頭沖刷腐蝕的形貌。
結論與建議
由於鑽桿接頭上扣扭矩不足，造成主臺肩面接觸壓力較小，內外螺紋配合鬆散產生動態載荷，螺紋牙底應力分佈發生變化，局部應力集中加劇，造成螺紋處疲勞強度下降在螺紋牙底形成疲勞裂紋源，疲勞裂紋擴展穿透後，在拉伸載荷的作用下張開擴大，導致內部高壓泥漿液從副臺肩和貫穿裂紋流入螺紋通道，並由失去密封性的主臺肩面衝出並形成沖刷腐蝕，最終造成接頭出現刺漏失效。
建議鑽桿接頭按照API推薦的扭矩進行上扣，以避免類似的情況再次發生。
選自：《理化檢驗—物理分冊》 Vol.56 2020.3
作者：陳猛，工程師，上海海隆石油管材研究所
