...析影响模具数控加工质量的因素
刘俊
[摘 要]结合我国近年来发生的典型钻柱失效案例对油气井钻探过程中钻柱失效的主要影响因素进行了分析，分析发现疲劳是钻柱的主要失效模式，而导致钻柱出现疲劳的主要原因有制造因素原因、设计因素原因、使用因素原因和环境因素原因四个方面，其中制造因素原因占比达30%以上，钻柱加工制造过程中形成的缺陷如非金属夹杂、折皱、表面脱碳、螺纹成型、加工缺陷和耐磨带堆焊不当等都是通过降低疲劳裂纹萌生寿命而诱发钻柱出现早期失效。因此，在钻柱制造加工过程中，要格外重视这些关键因素，确保钻柱质量符合生产要求，减少钻柱失效事故的发生。
[关键词]钻柱制造加工；钻采设备；制造质量；关键因素
中图分类号：TP391.73；U463 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0040-01
1 钻柱失效原因分析
在生产中发现，钻柱失效的表现形式主要分为断裂失效（包括延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂等）和非断裂失效（包括磨损、腐蚀和变形等）两大类。而造成钻柱失效的原因主要包括设计因素、制造因素、使用因素和环境因素四个方面。统计分析发现，加工制造因素引起的钻柱失效约占失效总数的35%，所占的比例最大。因此，为了减少钻柱失效事故的发生，加强对引起钻柱失效的制造因素进行研究攻关很有必要。
2 提升钻柱加工制造质量的关键因素
2.1减少非金属夹杂
按照来源，非金属夹杂分为内生型夹杂物和外生型夹杂物，内生型非夹杂物是金属在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的夹杂物，如果这种夹杂物过多或分布过分集中，就会在钢管轧制过程中形成条状分布夹杂。夹杂物的存在破坏了材料的连续性，尤其条状夹杂类似裂纹源，导致应力集中，易引起疲劳失效，而过分集中分布的夹杂物则会显著降低材料的塑性、韧性和耐蚀性，对钻具的疲劳寿命造成极其不利的影响，尤其是对高钢级钻具影响更大。外生型夹杂物是钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中形成的。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物，这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，它的尺寸和影响远大于常规非金属夹杂。在钢管管体成型后，纵向分布在管内，当这种夹杂物达到一定尺寸时，采用超声波检测的方法可以发现该类夹杂。因此，夹杂物的数量和分布被列为钻具出厂的常规检测项目之一。ASTM标准将非金属夹杂分为四类，硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化物，钻柱中常出现的典型非金属夹杂主要为前三类。因此在钻柱加工制造过程中减少非金属夹杂可以有效降低钻柱失效机率。
2.2减少折皱
钻杆管端礅粗加厚过程中，如果端部加热温度过高，将会导致表面严重氧化，甚至发生明显脱碳，由于高温下材料对于流动变形的抗力较低，在随后的礅粗加厚变形过程中，如果变形量过大将会导致表面氧化皮挤入基体组织内部，从而在加厚部位形成深浅不一的折皱。折皱不同于其他缺陷，折皱的形成不仅破坏材料的连续性，造成明显的应力集中，而且折皱内的氧化物改变材料的导热性能，在随后的热过程中引发周围组织出现脱碳现象，进而显著降低材料的疲劳寿命。生产中分析发现，钻柱加厚区存在折皱缺陷，疲劳裂纹从折皱底部萌生，目前的API、ISO和SY/T标准对于钻杆加厚区的折皱缺陷许可深度都为5%，有折皱形成的加厚区表面会有明显的皱皮形貌形成，因此在生产和检测过程中应特别注意。
2.3减少钻柱表面脱碳
某钻井公司在钻井过程中，发生钻柱断裂事故，但是其服役时间并不长经深入分析发现，钻杆外表面有明显的脱碳现象，脱碳层内分布着大量的块状铁素体，而内部组织为回火索氏体，萌生于脱碳层内的疲劳裂纹由外表面向心部笔直穿晶扩展。对表面的显微硬度检测结果发现，脱碳层的硬度明显低于内部组织，正是因为脱碳层的存在导致了钻杆的早期疲劳失效。这是由于钻柱表面脱碳现象的存在会明显降低材料的疲劳性能。钻柱的疲劳寿命由疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展寿命组成，而疲劳裂纹萌生寿命占据疲劳寿命的绝大部分比例，脱碳层的存在会使得疲劳裂纹形成寿命明显缩短，致使钻柱疲劳服役寿命显著降低。因此在加工制造钻柱时要格外重视，务必使钻柱表面不出现脱碳。
2.4 适当提高冲击功
由于技术水平相差较大，近些年发现仍有部分钻柱接头发生脆性断裂的失效事故。其断口表面通常有明显收敛于某一部位的放射状形貌，高倍电子显微镜下的断口形貌主要为解理、准解理和沿晶断裂特征。钻柱接头脆性断裂主要是由于热处理工艺不当使得材料韧性偏低造成的，金相分析表明，脆性断裂钻柱接头的截面金相组织通常主要为回火索氏体和上贝氏体，越靠近心部的金相组织中的上贝氏体含量越多，甚至出现回火马氏体，条状上贝氏体和回火马氏体的出现将大幅度降低钻柱接头的冲击韧性，进而导致钻柱接头发生脆性断裂。统计发生脆性断裂的钻柱构件的冲击功测试结果发现，80%以上的脆断钻柱构件在-20℃条件下的全尺寸冲击功值低于54J，最低的甚至低于10J。因此，加工制造过程中适当提高冲击功可以有效减少条状上贝氏体和回火马氏体的出现，进而大幅度提高钻柱接头的冲击韧性，降低钻柱接头发生脆性断裂的几率。
2.5 减少螺纹参数干涉
螺纹参数干涉会导致螺纹旋合面之间发生剧烈的摩擦作用，甚至导致螺纹摩擦面发生相变，形成马氏体“白亮层”组织。马氏体“白亮层”的硬度显著高于材料基体硬度，在这种脆硬的组织中极易萌生裂纹。因此在制造过程中，可采用有限元分析和正交试验相结合的方法对钻柱的接头螺纹参数進行优化，以降低内外螺纹参数发生干涉的概率。
2.6 减少螺纹牙型加工缺陷
钻柱螺纹最后旋合的第1～3扣螺纹是整个螺纹连接接头承受载荷最大的部位，螺纹根部为应力集中部位，也是最易发生疲劳失效的部位。由于受加工制造水平的限制，会出现加工的螺纹牙型不完整或存在加工缺陷，这都将极大的加剧螺纹根部的应力集中，进而导致螺纹根部早期萌生疲劳裂纹。而形成不正确螺纹牙型的主要原因之一是刀片在刀柄上缺乏稳定性。只有采用特别的方法抵消施加在切削刃上的径向切削力的影响，才能获得稳定的高质量加工。
2.7 防止出现应力减轻槽加工缺陷
钻柱接头外螺纹部位加工应力分散槽是目前常用的做法。科学合理的应力释放槽结构可以有效地降低接头台肩根部的应力集中，防止接头失效，但如果应力减轻槽设计或加工不合理，不但不会降低应力集中，相反会进一步加剧应力集中，促进疲劳裂纹的萌生。因此在加工制造时要确保应力槽结构成型合理，防止出现加工缺陷，以引发疲劳裂纹的早期形成。
3.结束语
随着钻井深度的增加和钻井工艺的发展，对钻柱性能的要求也越来越高。由于钻柱在井下工作的条件十分复杂与恶劣，它往往是钻井工具与装备的薄弱环节，易出现失效事故，影响钻井施工效果。统计分析发现，钻柱加工制造过程中形成的缺陷通过形成应力集中或降低疲劳裂纹萌生寿命，降低材料的服役抗力，诱发钻柱出现早期失效是主要原因。基于此，企业在钻柱构件加工制造和检测过程中从细微之处着眼，充分重视加工制造过程中的关键影响因素，主要从防止出现非金属夹杂、折皱、表面脱碳、加工缺陷，提高冲击功偏低、螺纹成型质量等方面加强质量控制，进而减少钻柱出现缺陷的几率。
参考文献
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[2] 钟群鹏.材料失效诊断、预测和预防[M].长沙：中南大学出版社，2009：3-11.endprint
