ASTM4137H鉆桿接頭用鋼回火性能模擬和預(yù)測(cè)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)石油鉆桿接頭存在強(qiáng)韌性配合不良的問題,試驗(yàn)研究了鉆桿接頭用鋼37crmoe。就該鋼種的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量對(duì)材料力學(xué)性能的影響、冶金質(zhì)量對(duì)淬透性的影響等進(jìn)行了分析討論。試驗(yàn)研究表明:(1)經(jīng)880℃正火、860℃淬火、在530～600℃溫度范圍內(nèi)回火后,37crmoe鋼具有較好的綜合力學(xué)性能,其強(qiáng)韌性配合滿足sy5290—1991《石油鉆桿接頭》標(biāo)準(zhǔn)的要求,可替代40crnimoa和40crmnmo鋼;(2)37crmoe鋼的淬透性元素搭配合理,有害元素s、p等明顯減少,夾雜物少且均勻化。這是提高該鋼種淬透性及綜合力學(xué)性能的主要原因

偏心鉆桿接頭的設(shè)計(jì)

通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、組織結(jié)構(gòu)分析和高溫高壓模擬試驗(yàn),對(duì)127mm(5″)s135鉆桿接頭內(nèi)壁出現(xiàn)劃痕、凹槽和腐蝕三種失效形式,鉆桿的腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明:該鉆桿接頭的材料性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,鉆桿接頭腐蝕機(jī)理是氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物主要是fe3o4和feooh,劃痕和凹槽是由于使用不當(dāng)和卡槽所致。

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要組成部分,而耐蝕性是鉆桿接頭性能的重要指標(biāo)。通過硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn),研究了磷化液的游離酸度、總酸度、酸比、磷化時(shí)間和溫度對(duì)鉆桿接頭磷化膜耐蝕性的影響,得出各參數(shù)的最佳范圍。結(jié)果表明:控制磷化液的游離酸度12～15點(diǎn),總酸度140～170點(diǎn),酸比10～11,磷化溫度75℃左右,磷化時(shí)間20～25min,所得磷化膜耐腐蝕性能最佳。

鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭失效的形式主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。其中斷裂失效表現(xiàn)為過載斷裂、低應(yīng)力脆斷、應(yīng)力腐蝕、氫脆斷、疲勞和腐蝕疲勞斷裂。它們產(chǎn)生的原因和破壞發(fā)生的特點(diǎn)都不一。文內(nèi)以5個(gè)例證分別進(jìn)行分析,并提出預(yù)防的措施。

某井鉆桿在使用中發(fā)生接頭脹大和脫扣事故。采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)定、宏觀和微觀組織檢驗(yàn)、尺寸測(cè)量及鉆桿的力學(xué)分析等方法對(duì)其進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明,鉆桿接頭材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,鉆桿接頭在使用過程中脹大失效的原因主要是井下扭矩超過了鉆桿接頭的承載能力所致。

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要組成部分,其硬度和耐蝕性是鉆桿接頭性能的重要指標(biāo)。通過離子滲氮處理后、利用om、epma、xrd分析了金相組織、元素分布和物相;利用顯微硬度計(jì)和m283恒電位儀與m352測(cè)試分析軟件對(duì)硬度、耐蝕性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:37crmomn鋼鉆桿接頭經(jīng)過離子滲氮后,白亮層約6μm,滲氮層厚約200μm,主要由ζ-fe2n、ε-fe3n、cr2n等增強(qiáng)相組成,顯微硬度和耐蝕性都提高到基體的2倍左右。

本文通過力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析、金相組織和斷口分析,并結(jié)合受力狀態(tài),對(duì)某井φ127mms135鉆桿接頭的縱向刺孔原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明,鉆桿刺孔失效的原因是鉆井液中的腐蝕性介質(zhì)對(duì)內(nèi)表面造成嚴(yán)重腐蝕,在交變應(yīng)力作用下,裂紋萌生并迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕刺穿失效。

本文根據(jù)sy/t5290—2000標(biāo)準(zhǔn)要求,通過對(duì)37crmnmo鋼鉆桿接頭材料的力學(xué)性能分析,調(diào)整及改進(jìn)熱處理工藝參數(shù),使石油鉆桿接頭達(dá)到最佳的綜合機(jī)械性能,從而滿足鉆井生產(chǎn)工藝要求。

隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步,要求鉆桿接頭可傳遞更大的扭矩以適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境,因此對(duì)其抗扭性能研究變得尤為重要。為此,設(shè)計(jì)了一種新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭。與一般的雙臺(tái)肩鉆桿接頭相比,新型鉆桿接頭增加了外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭圓柱孔部分的長(zhǎng)度,使得鉆桿接頭可以保證鉆桿在井下傳遞更大的扭矩而不發(fā)生失效。利用有限元軟件建立了api標(biāo)準(zhǔn)接頭和新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的有限元分析模型。由有限元計(jì)算結(jié)果可知,新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的抗扭能力明顯高于api標(biāo)準(zhǔn)接頭,可傳遞更大的扭矩。油田中應(yīng)用也表明新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的性能優(yōu)于api標(biāo)準(zhǔn)接頭。

分析了某井一批雙臺(tái)肩鉆桿接頭開裂失效事故。試驗(yàn)分析表明,裂紋主要位于外螺紋臺(tái)肩面附近的頸部和第1~3牙螺紋根部,具有沿晶、分枝擴(kuò)展特征。掃描電鏡斷口形貌和能譜分析結(jié)果證實(shí)該批鉆桿接頭屬于h2s應(yīng)力腐蝕開裂,導(dǎo)致接頭開裂的主要原因是鉆桿接頭材料強(qiáng)度和硬度偏高,鉆桿接頭內(nèi)徑偏大,使失效部位的應(yīng)力水平增大,且鉆桿接頭本身承受扭矩過大。分析結(jié)果對(duì)雙臺(tái)肩接頭的研究開發(fā)和使用具有很好的參考價(jià)值。

一種防卡型鉆桿接頭

本文介紹了一種新型的雙臺(tái)肩鉆桿接頭的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用情況。并以實(shí)例說明了該接頭在提高抗扭強(qiáng)度、降低鉆井時(shí)的水力損失和增加鉆桿靈活性等方面的作用。

本文介紹了一種新型的雙臺(tái)肩鉆桿接頭的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用情況，并以實(shí)例說明了該接頭在提高抗扭強(qiáng)度，降低鉆井時(shí)的水力損力和增加鉆桿靈活性等方面的作用。

文章介紹了等離子弧焊的原理、設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù);總結(jié)了等離子弧焊的主要特點(diǎn);提出增加送絲機(jī),組成既可送粉焊接又可送絲焊接的兩用設(shè)備。

在每年發(fā)生的鉆桿失效事故中約40%是其內(nèi)螺紋接頭直角臺(tái)肩根部的疲勞開裂。對(duì)鉆桿接頭水眼結(jié)構(gòu)及其疲勞強(qiáng)度的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)尺寸明顯影響直角臺(tái)肩根部的應(yīng)力水平,直角臺(tái)肩根部的壁厚是影響該部位疲勞強(qiáng)度的主要因素。鑒于api標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均沒有規(guī)定內(nèi)螺紋接頭的內(nèi)徑尺寸這一狀況,應(yīng)用力學(xué)計(jì)算、有限元分析及全尺寸疲勞試驗(yàn)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆桿內(nèi)螺紋接頭合理的水眼結(jié)構(gòu)尺寸,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查均表明這種合理結(jié)構(gòu)接頭的直角臺(tái)肩根部不再發(fā)生疲勞刺漏,其疲勞強(qiáng)度大于鉆桿管體。

針對(duì)石油鉆井關(guān)鍵產(chǎn)品高強(qiáng)度鉆桿接頭的使用要求,在保證強(qiáng)度指標(biāo)要求非常高的前提下,研究摸索增加高溫正火后再調(diào)質(zhì)的工藝方法,以改善接頭材料原始微觀帶狀組織和纖維結(jié)構(gòu),細(xì)化晶粒,提高鉆桿接頭的沖擊功,使該產(chǎn)品力學(xué)性能達(dá)到api標(biāo)準(zhǔn)的要求。

鉆桿接頭的優(yōu)化處理需要從很多方面進(jìn)行考慮,這就要求在材料和熱處理方面必須進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。這樣才能保證接頭的韌性和強(qiáng)度要求,達(dá)到延長(zhǎng)壽命的要求。本文結(jié)合鉆桿接頭的損壞原因作了一些分析,提出了相應(yīng)的處理方法,并對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),來達(dá)到增加鉆桿疲勞壽命的的目的。

專利號(hào)：zl200620044752．9 專利權(quán)人：寶山鋼鐵股份有限公司 設(shè)計(jì)人：趙鵬

鉆桿工具接頭的抗扭強(qiáng)度普遍低于管體,為滿足使用需要,考慮選擇非api雙臺(tái)肩高抗扭矩接頭。為此,使用i-deas和marc兩個(gè)大型有限元分析軟件,在sgiindig02impactr10000型工作站進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,對(duì)s-135鉆桿接頭雙臺(tái)肩齒面與臺(tái)肩部位應(yīng)力分布進(jìn)行分析,并將計(jì)算結(jié)果與api標(biāo)準(zhǔn)接頭進(jìn)行對(duì)此。結(jié)果表明,雙臺(tái)肩工具接頭的抗扭能力是api標(biāo)準(zhǔn)接頭的1.5倍。

疲勞損壞是導(dǎo)致礦用鉆桿接頭失效的主要原因之一。以準(zhǔn)50的六方形鉆桿接頭為研究對(duì)象,采用solidworks建立接頭主要零部件的三維模型,導(dǎo)入ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析。利用42crmo材料的s-n曲線,得到鉆桿接頭的疲勞壽命、應(yīng)力集中分布情況,為合理地使用礦用鉆桿和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

鉆桿接頭是鉆柱最薄弱的環(huán)節(jié),在鉆進(jìn)過程中極易失效。采用有限元分析方法對(duì)鉆桿接頭的應(yīng)力特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,密封面處接觸壓力分布不均和嚙合大端第一螺紋牙處應(yīng)力集中是影響鉆桿接頭力學(xué)性能的主要因素。在公扣、母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處開應(yīng)力釋放槽可以有效改善鉆桿接頭的應(yīng)力分布,降低應(yīng)力峰值,使vonmises應(yīng)力和接觸壓力分布更加均勻,有利于提高鉆桿接頭的承載能力和密封性能。此外,僅在公扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處或母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處開應(yīng)力釋放槽也可有效改善接頭的應(yīng)力分布,但效果與公扣、母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處均開應(yīng)力釋放槽相比稍差。