37crmnmo4鉆桿接頭缺陷分析

37crmnmo4鉆桿接頭缺陷分析

在石油勘探過程中，鉆井過程中，鉆桿連接上下孔，這是鉆頭的薄弱環(huán)節(jié)。80%以上的鉆探桿事故發(fā)生在這一部位。因此,提高鉆桿接頭的質(zhì)量,是降低事故發(fā)生率的關(guān)鍵技術(shù)。鉆桿接頭在鉆井時承受繁重的工作扭距,要求具有很高的機械強度,所以鉆桿接頭必須采用鍛造加工制造。金屬材料鍛造過程需要有很高溫度,才有利于金屬鍛造成形,但是材料因溫度過高而形成“過熱”或者“過燒”,因此需要控制加熱與鍛造工藝,嚴格控制鋼加熱的上限溫度。國外生產(chǎn)鉆桿接頭的毛坯均為模鍛件,采用分模鍛造工藝雙向沖孔擠壓而成。國內(nèi)石油鉆桿接頭生產(chǎn)技術(shù)比較落后,大多數(shù)采用自由鍛工藝,不能鍛出鍛件的中心孔,內(nèi)孔由切削加工來完成;少數(shù)采用油壓機立式多工位生產(chǎn)接頭模鍛件,經(jīng)過立式鐓擠制坯、兩次沖孔和沖連皮4步工序成形接頭模鍛件,能將接頭鍛件中心孔沖出,公接頭鍛件鍛出兩端臺階,最后經(jīng)過切削精加工。某公司生產(chǎn)的37CrMnMo4鉆桿接頭,在車削量大約為1cm左右的位置,發(fā)現(xiàn)螺紋根部存在明顯裂紋(圖1中A處),嚴重影響鉆桿接頭質(zhì)量。截取鉆桿接頭缺陷部位管壁試樣,對鉆桿接頭加工過程中缺陷的產(chǎn)生原因進行分析。1試驗裝置37CrMnMo4鉆桿接頭的化學(xué)成分如(質(zhì)量分數(shù),%)見表1。同AISI4137標準成分相比,其中鉬、鉻元素含量較高。截取鉆桿接頭缺陷部位小塊樣品,經(jīng)機械研磨拋光后采用4%硝酸酒精溶液腐蝕表面,利用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察鉆桿接頭的金相組織形貌,同時采用能譜、波譜對缺陷處成分做詳細分析。截取鉆桿接頭缺陷部位非標沖擊試樣,在掃描電鏡下觀察沖擊斷口形貌,并分析斷口處成分。實驗采用LEICADMRD型金相顯微鏡和配有OxfordINCAx-act能譜儀和OxfordINCAWave波譜儀的JEOLJSM-6460LV低真空掃描電鏡。掃描電鏡工作電壓20kV,能譜儀用液氮冷卻,波譜儀采用氬甲烷混合氣體保護。2結(jié)果與討論2.1鉆桿接頭缺陷能譜分析圖2(a)為鉆桿接頭缺陷處金相顯微組織,可看到回火索氏體組織中有白色塊狀碳化物呈網(wǎng)絡(luò)分布(標記A),而且周圍彌散分布有大量白色點狀碳化物(標記B)。圖2(b)為鉆桿接頭缺陷處的SEM形貌,可看到材料內(nèi)部晶界局部有熔化現(xiàn)象(標記C),局部有孔洞,呈類似自由結(jié)晶狀形貌,沿晶界有裂紋出現(xiàn)。另外材料基體中還發(fā)現(xiàn)有塊狀灰色物質(zhì)(標記D),它和金相顯微鏡下觀察到的白色塊狀碳化物(標記A)相對應(yīng)。金相分析結(jié)果表明鉆桿接頭材料內(nèi)部有符合過燒特征的材料熔融的特點——自由結(jié)晶面,材料內(nèi)部熔融晶界周圍有大量的白色碳化物組織,其周圍彌散分布著大量的細小碳化物顆粒,為某種元素偏析所導(dǎo)致,這些特征和材料過燒的特征相吻合。一般情況下,材料熱處理過程中發(fā)生的過燒現(xiàn)象均從材料表面開始,過燒產(chǎn)生的裂紋和孔洞向材料內(nèi)部擴展,而此處所發(fā)現(xiàn)的裂紋及孔洞存在于材料內(nèi)部,自材料內(nèi)部向表面擴展,車削過程中所發(fā)現(xiàn)的裂紋也是在材料內(nèi)部,因為車削量較大而暴露出來。對這一現(xiàn)象的解釋將在后文中做進一步論述。圖3為鉆桿接頭缺陷處碳化物的線掃描成分分析結(jié)果,由于能譜分析中鉬和硫元素的峰位不易分辨,故對硫元素采用波譜分析?？梢园l(fā)現(xiàn),缺陷區(qū)域比基體處鉬、鉻、磷元素含量顯著偏高,可確認材料內(nèi)部存在有大量的鉬、鉻、磷元素的嚴重偏析。為進一步確認鉆桿接頭缺陷區(qū)域中偏析元素的分布情況,對缺陷區(qū)域中進一步做面掃描元素分析,同時采用波譜分析鉬元素分布(圖4)。從圖4中可以看到,鉆桿接頭缺陷區(qū)域中含有較高的鉬、鉻、磷等元素,合金元素鉬、鉻的偏析導(dǎo)致材料中出現(xiàn)大量的碳化物。圖5為鉆桿接頭中另一缺陷處的能譜成份分析結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)條塊狀區(qū)域及其周圍為鉬、鉻、磷等元素的偏聚區(qū)(譜圖1和2),這些缺陷多出現(xiàn)在裂紋及孔洞缺陷周圍,材料基體中的鉬、鉻、磷元素與缺陷處成分偏聚區(qū)域有很大區(qū)別。以上結(jié)果表明,鉆桿接頭內(nèi)部存在鉬、鉻、磷等元素的嚴重偏,其中磷元素偏聚是材料過燒后元素偏析的一個主要特征,在材料過燒晶界周圍易形成磷化鐵沉積層。鉬、鉻元素屬于不易擴散元素,過燒過程中不可能出現(xiàn)很嚴重的偏聚,因為鉆桿接頭材料中鉬、鉻元素含量較高,對煉鋼過程的工藝控制要求很高,使得鉬、鉻元素在鋼中分布的均勻性難以保證,從而出現(xiàn)了局部區(qū)域的鉬、鉻元素偏聚。圖6為非標沖擊試樣沖擊斷口形貌及成分分析結(jié)果,可以看到?jīng)_擊斷口為解理狀形貌,斷口處發(fā)現(xiàn)有饅頭狀的自由結(jié)晶面形貌,且其周圍有二次裂紋。由此可推斷材料沖擊受力過程中,斷裂從材料內(nèi)部孔洞(熔融后形成的自由結(jié)晶區(qū)域)處開始,向材料外部擴展形成裂紋,最終導(dǎo)致材料斷裂失效。經(jīng)能譜成分分析發(fā)現(xiàn)斷口處自由結(jié)晶面表面有磷、鉬、鉻等元素的偏析。2.2鉆桿接頭車削裂紋的成因分析鋼的過燒定義為鋼在固-液相線溫度范圍內(nèi)的某一溫度(稱為過燒溫度)以上時,奧氏體晶界上不僅產(chǎn)生化學(xué)成分的變化(偏析),而且局部或整個晶界出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象。鉆桿接頭生產(chǎn)工藝中要加熱到1250℃左右然后鍛壓操作,有可能會因為加熱溫度不均勻而出現(xiàn)過燒現(xiàn)象,導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)熔融并發(fā)生開裂。分析結(jié)果表明,鉆桿接頭金相組織呈現(xiàn)具有過燒組織特征的白色碳化物,呈網(wǎng)狀分布趨勢,鉆桿接頭內(nèi)部不僅有晶界融化的自由結(jié)晶面形貌,并且自由結(jié)晶面表面有磷、鉬、鉻等元素的偏聚,材料基體中也有大量塊狀的磷、鉬、鉻元素偏聚,導(dǎo)致形成大量的碳化物,其成份譜線從塊狀物質(zhì)心部向兩側(cè)呈遞減趨勢,所有這些特征都說明鉆桿內(nèi)部發(fā)生了過燒,由此判定鉆桿接頭車削過程中發(fā)現(xiàn)裂紋是因為材料內(nèi)部因過燒而產(chǎn)生裂紋并向材料外部擴展的結(jié)果。鉆桿接頭的成分是依據(jù)合金元素在鋼中的作用和以往實踐經(jīng)驗而設(shè)計的,鉬、鉻是提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的合金元素,使C曲線右移,推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變,從而降低鋼的臨界冷卻速度,增加鋼的淬透性,同時鉬元素含量的增加有利于減弱高溫回火脆性?？紤]到產(chǎn)品在惡劣條件下的性能穩(wěn)定,盡可能降低硫、磷含量,以提高鋼的沖擊韌性。因為鉆桿接頭材料中鉬、鉻元素含量較高,使得煉鋼過程中難以控制其成分的均勻性,因而材料內(nèi)部出現(xiàn)了大量的塊狀鉬、鉻元素偏聚區(qū),最終形成碳化物。這些大量的塊狀碳化物可看作是一個個夾雜物,根據(jù)裂紋形核與擴展機理,夾雜物往往是調(diào)質(zhì)鋼受力后的裂紋源與擴展路徑。鋼中碳化物(鉬、鉻元素偏聚區(qū),可看作鋼中的夾雜物)和材料基體的硬度不同,與材料基體的結(jié)合力弱,其周圍可能產(chǎn)生細微的孔洞。高溫鍛壓加工時,在高壓的快速作用下,根據(jù)克拉伯龍氣體方程(PV=nRT,式中,P為氣體壓強,Pa;V為氣體體積,m3;n為氣體的物質(zhì)的量,mol;T為體系溫度,K;R為比例常數(shù),J/(mol·K)),材料內(nèi)部未閉合區(qū)域體積瞬間來不及變化,導(dǎo)致材料內(nèi)部局部區(qū)域溫度急劇升高發(fā)生過燒,材料內(nèi)部出現(xiàn)了磷元素的偏析。另一方面,鉆桿接頭內(nèi)部可以觀察到明顯的晶界熔化區(qū)域,有的熔化晶界附近出現(xiàn)較大的孔洞,部分區(qū)域還存在自由結(jié)晶面。鉆桿接頭加熱溫度接近鋼的液相點,若形變速度過大,機械能轉(zhuǎn)化為熱能,導(dǎo)致局部區(qū)域形變量較大甚至滑移面溫度上升至液相點以上而導(dǎo)致“形變過燒”。3鉆桿接頭內(nèi)部組織不均勻鉆桿接頭截面組織晶界有熔融現(xiàn)象,晶界周圍含有磷、鉬、鉻等元素的偏析及偏聚,呈過燒狀態(tài)。鉆桿接頭原材料中鉬、鉻等合金元素元素含量偏高