37crmnmo4钻杆接头缺陷分析

37crmnmo4钻杆接头缺陷分析

在石油勘探过程中，钻井过程中，钻杆连接上下孔，这是钻头的薄弱环节。80%以上的钻探杆事故发生在这一部位。因此,提高钻杆接头的质量,是降低事故发生率的关键技术。钻杆接头在钻井时承受繁重的工作扭距,要求具有很高的机械强度,所以钻杆接头必须采用锻造加工制造。金属材料锻造过程需要有很高温度,才有利于金属锻造成形,但是材料因温度过高而形成“过热”或者“过烧”,因此需要控制加热与锻造工艺,严格控制钢加热的上限温度。国外生产钻杆接头的毛坯均为模锻件,采用分模锻造工艺双向冲孔挤压而成。国内石油钻杆接头生产技术比较落后,大多数采用自由锻工艺,不能锻出锻件的中心孔,内孔由切削加工来完成;少数采用油压机立式多工位生产接头模锻件,经过立式镦挤制坯、两次冲孔和冲连皮4步工序成形接头模锻件,能将接头锻件中心孔冲出,公接头锻件锻出两端台阶,最后经过切削精加工。某公司生产的37CrMnMo4钻杆接头,在车削量大约为1cm左右的位置,发现螺纹根部存在明显裂纹(图1中A处),严重影响钻杆接头质量。截取钻杆接头缺陷部位管壁试样,对钻杆接头加工过程中缺陷的产生原因进行分析。1试验装置37CrMnMo4钻杆接头的化学成分如(质量分数,%)见表1。同AISI4137标准成分相比,其中钼、铬元素含量较高。截取钻杆接头缺陷部位小块样品,经机械研磨抛光后采用4%硝酸酒精溶液腐蚀表面,利用金相显微镜和扫描电镜观察钻杆接头的金相组织形貌,同时采用能谱、波谱对缺陷处成分做详细分析。截取钻杆接头缺陷部位非标冲击试样,在扫描电镜下观察冲击断口形貌,并分析断口处成分。实验采用LEICADMRD型金相显微镜和配有OxfordINCAx-act能谱仪和OxfordINCAWave波谱仪的JEOLJSM-6460LV低真空扫描电镜。扫描电镜工作电压20kV,能谱仪用液氮冷却,波谱仪采用氩甲烷混合气体保护。2结果与讨论2.1钻杆接头缺陷能谱分析图2(a)为钻杆接头缺陷处金相显微组织,可看到回火索氏体组织中有白色块状碳化物呈网络分布(标记A),而且周围弥散分布有大量白色点状碳化物(标记B)。图2(b)为钻杆接头缺陷处的SEM形貌,可看到材料内部晶界局部有熔化现象(标记C),局部有孔洞,呈类似自由结晶状形貌,沿晶界有裂纹出现。另外材料基体中还发现有块状灰色物质(标记D),它和金相显微镜下观察到的白色块状碳化物(标记A)相对应。金相分析结果表明钻杆接头材料内部有符合过烧特征的材料熔融的特点——自由结晶面,材料内部熔融晶界周围有大量的白色碳化物组织,其周围弥散分布着大量的细小碳化物颗粒,为某种元素偏析所导致,这些特征和材料过烧的特征相吻合。一般情况下,材料热处理过程中发生的过烧现象均从材料表面开始,过烧产生的裂纹和孔洞向材料内部扩展,而此处所发现的裂纹及孔洞存在于材料内部,自材料内部向表面扩展,车削过程中所发现的裂纹也是在材料内部,因为车削量较大而暴露出来。对这一现象的解释将在后文中做进一步论述。图3为钻杆接头缺陷处碳化物的线扫描成分分析结果,由于能谱分析中钼和硫元素的峰位不易分辨,故对硫元素采用波谱分析。可以发现,缺陷区域比基体处钼、铬、磷元素含量显著偏高,可确认材料内部存在有大量的钼、铬、磷元素的严重偏析。为进一步确认钻杆接头缺陷区域中偏析元素的分布情况,对缺陷区域中进一步做面扫描元素分析,同时采用波谱分析钼元素分布(图4)。从图4中可以看到,钻杆接头缺陷区域中含有较高的钼、铬、磷等元素,合金元素钼、铬的偏析导致材料中出现大量的碳化物。图5为钻杆接头中另一缺陷处的能谱成份分析结果,可发现条块状区域及其周围为钼、铬、磷等元素的偏聚区(谱图1和2),这些缺陷多出现在裂纹及孔洞缺陷周围,材料基体中的钼、铬、磷元素与缺陷处成分偏聚区域有很大区别。以上结果表明,钻杆接头内部存在钼、铬、磷等元素的严重偏,其中磷元素偏聚是材料过烧后元素偏析的一个主要特征,在材料过烧晶界周围易形成磷化铁沉积层。钼、铬元素属于不易扩散元素,过烧过程中不可能出现很严重的偏聚,因为钻杆接头材料中钼、铬元素含量较高,对炼钢过程的工艺控制要求很高,使得钼、铬元素在钢中分布的均匀性难以保证,从而出现了局部区域的钼、铬元素偏聚。图6为非标冲击试样冲击断口形貌及成分分析结果,可以看到冲击断口为解理状形貌,断口处发现有馒头状的自由结晶面形貌,且其周围有二次裂纹。由此可推断材料冲击受力过程中,断裂从材料内部孔洞(熔融后形成的自由结晶区域)处开始,向材料外部扩展形成裂纹,最终导致材料断裂失效。经能谱成分分析发现断口处自由结晶面表面有磷、钼、铬等元素的偏析。2.2钻杆接头车削裂纹的成因分析钢的过烧定义为钢在固-液相线温度范围内的某一温度(称为过烧温度)以上时,奥氏体晶界上不仅产生化学成分的变化(偏析),而且局部或整个晶界出现烧熔现象。钻杆接头生产工艺中要加热到1250℃左右然后锻压操作,有可能会因为加热温度不均匀而出现过烧现象,导致材料内部出现熔融并发生开裂。分析结果表明,钻杆接头金相组织呈现具有过烧组织特征的白色碳化物,呈网状分布趋势,钻杆接头内部不仅有晶界融化的自由结晶面形貌,并且自由结晶面表面有磷、钼、铬等元素的偏聚,材料基体中也有大量块状的磷、钼、铬元素偏聚,导致形成大量的碳化物,其成份谱线从块状物质心部向两侧呈递减趋势,所有这些特征都说明钻杆内部发生了过烧,由此判定钻杆接头车削过程中发现裂纹是因为材料内部因过烧而产生裂纹并向材料外部扩展的结果。钻杆接头的成分是依据合金元素在钢中的作用和以往实践经验而设计的,钼、铬是提高过冷奥氏体稳定性的合金元素,使C曲线右移,推迟奥氏体向珠光体转变,从而降低钢的临界冷却速度,增加钢的淬透性,同时钼元素含量的增加有利于减弱高温回火脆性。考虑到产品在恶劣条件下的性能稳定,尽可能降低硫、磷含量,以提高钢的冲击韧性。因为钻杆接头材料中钼、铬元素含量较高,使得炼钢过程中难以控制其成分的均匀性,因而材料内部出现了大量的块状钼、铬元素偏聚区,最终形成碳化物。这些大量的块状碳化物可看作是一个个夹杂物,根据裂纹形核与扩展机理,夹杂物往往是调质钢受力后的裂纹源与扩展路径。钢中碳化物(钼、铬元素偏聚区,可看作钢中的夹杂物)和材料基体的硬度不同,与材料基体的结合力弱,其周围可能产生细微的孔洞。高温锻压加工时,在高压的快速作用下,根据克拉伯龙气体方程(PV=nRT,式中,P为气体压强,Pa;V为气体体积,m3;n为气体的物质的量,mol;T为体系温度,K;R为比例常数,J/(mol·K)),材料内部未闭合区域体积瞬间来不及变化,导致材料内部局部区域温度急剧升高发生过烧,材料内部出现了磷元素的偏析。另一方面,钻杆接头内部可以观察到明显的晶界熔化区域,有的熔化晶界附近出现较大的孔洞,部分区域还存在自由结晶面。钻杆接头加热温度接近钢的液相点,若形变速度过大,机械能转化为热能,导致局部区域形变量较大甚至滑移面温度上升至液相点以上而导致“形变过烧”。3钻杆接头内部组织不均匀钻杆接头截面组织晶界有熔融现象,晶界周围含有磷、钼、铬等元素的偏析及偏聚,呈过烧状态。钻杆接头原材料中钼、铬等合金元素元素含量偏高