連續(xù)油管具有作業(yè)多樣性、快捷性和可靠性等優(yōu)點,被稱作“萬能作業(yè)機”,廣泛應用于油田修井、鉆井、完井、測井等作業(yè)中。撓性連接器是連續(xù)油管之間及連續(xù)油管與井下作業(yè)工具之間的重要連接工具,在作業(yè)中承受反復彎曲載荷以及拉、壓、扭、彎等復合載荷的作用[1]。撓性連接器產品質量對油氣田勘探開發(fā)過程中各環(huán)節(jié)的作業(yè)人員安全具有重要影響。某公司提供了一批用于連接連續(xù)油管的撓性連接器,在下井使用前隨機抽樣模擬使用檢驗,試樣經歷幾次低周疲勞循環(huán)就出現(xiàn)斷裂漏水觀象。經查驗,撓性連接器材料為強度、塑性及韌性等力學性能較好的42CrMo鋼,制造工藝流程為：熱軋無縫管坯→普車→調質處理→數(shù)控精車。筆者采用一系列理化檢驗方法對撓性連接器斷裂的原因進行分析,并提出結構設計、熱處理及車削加工工藝參數(shù)的優(yōu)化方法,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂撓性連續(xù)油管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：該撓性連接器開裂口位于左側高低臺階的過渡圓弧根部,斷口外邊緣較為平齊,撓性連接器上可見明顯的車削加工刀痕,未開裂高低臺階的過渡圓弧半徑較小,近似直角過渡。 

圖  1  開裂撓性連續(xù)油管的宏觀形貌

將撓性連接器沿裂口張開方向折斷,截取環(huán)形試樣,試樣端面斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口屬于典型的雙向彎曲疲勞斷口,斷口左右兩側可以清楚看到疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū),未見明顯瞬斷區(qū)[2]。 

圖  2  撓性連接器端面斷口的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷口附近截取試樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：撓性連接器的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)分析

將環(huán)形試樣端面斷口進行超聲波清洗,然后置于SEM下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：斷口從外表面沿壁厚方向存在數(shù)條疲勞輝紋,且疲勞輝紋間距較大；斷口外邊緣起裂區(qū)存在擠壓損傷痕跡,斷口外邊緣相鄰車削區(qū)（過渡圓角處）的車削刀痕深淺不一,且存在明顯的刮擦痕跡和形狀不一的微孔洞；裂紋擴展區(qū)分布著大小不一、帶擠壓痕跡的韌窩[3-5]。 

圖  3  斷口處SEM形貌

1.4   金相檢驗

在撓性連接器壁厚較厚的另一半斷口附近截取金相試樣,將試樣磨制、拋光、腐蝕后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：試樣表層與心部的顯微組織無明顯差異,均為回火索氏體＋少量鐵素體[6],為正常調質態(tài)組織,滿足零件技術要求。 

圖  4  斷口處顯微組織形貌

1.5   硬度測試

在斷口附近壁厚較厚的環(huán)形試樣上取樣,將其磨制、拋光后,按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對試樣進行硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：撓性連接器內外表面的硬度均高于心部,測試結果范圍波動較大,比連續(xù)油管母材硬度217 HB高出26 HB,兩者力學性能存在差異,在測試過程中,零件受到反復彎曲作用力,內外表面加工硬化程度較心部大。 

2.   綜合分析

連續(xù)油管與撓性連接器要經歷數(shù)次彎曲-拉直循環(huán)變形,撓性連接器承受往復低周疲勞載荷及復雜交變載荷。撓性連接器斷口處的高低臺階過渡圓角半徑僅為1.0 mm,近似直角,在承受載荷時會產生應力集中,形成微裂紋,微裂紋在低周疲勞載荷、交變載荷的作用下進一步擴展,最終導致連接器斷裂。 

由SEM分析結果可知,斷口外邊緣過渡圓角處車削刀痕溝槽深淺不一,存在多條連續(xù)帶狀刮痕,原因是車削過程中切削參數(shù)設置不合理,導致切屑排出不暢、刀具磨損嚴重、機床受到振動,進而造成零件表面損傷。同時,過渡圓角及壁厚方向上存在形狀不一的微孔洞,破壞了撓性連接器表面的連續(xù)性,在承受載荷時產生應力集中,車削溝槽和微孔洞處產生微裂紋,嚴重縮短了零件的疲勞壽命[7-8]。 

由硬度測試結果可知,撓性連接器母材硬度明顯高于與之相連的連續(xù)油管母材硬度。硬度與強度呈正相關關系,與塑性呈負相關關系,說明撓性連接器的強度高于連續(xù)油管,塑性低于連續(xù)油管,兩者之間的強度、塑性匹配性較差。撓性連接器熱處理工藝參數(shù)設計不合理,導致其硬度偏高,塑性變形能力較小,促使疲勞裂紋快速擴展。 

3.   結論及建議

該撓性連接器發(fā)生低周疲勞斷裂的原因為：撓性連接器的高低臺階過渡圓角半徑較小,車削加工時刀具振動及切屑排出不暢,產生了深淺不一的切削溝槽及表面損傷,且母材內部及切削表面存在形狀不一的孔洞,使材料產生應力集中,并萌生微裂紋；撓性連接器熱處理工藝參數(shù)設計不合理,導致其硬度偏高,塑性變形能力較小,促進了疲勞裂紋快速擴展,在低周疲勞載荷及交變載荷的作用下,撓性連接器最終發(fā)生斷裂。 

建議提高42CrMo鋼母材調質過程中的回火溫度,以降低其硬度,使撓性連接器的硬度與連續(xù)油管的硬度接近,提高兩者的力學性能匹配性,進而提高兩者在彎曲變形過程中的塑性變形協(xié)調性。

文章來源——材料與測試網