Page 91 - 理化检验-物理分册2022年第四期

娄 琦, 等: 钻井工具接头内螺纹牙型底部开裂原因

结果如图 6 所示。由图 6 可知, 裂纹起源于螺纹根 口的低倍形貌如图 7 所示。内表面发现有裂纹源区
部, 由内向外扩展, 为穿晶开裂, 裂纹平直无分叉, 根 [ 见图 7a )], 源区有典型的疲劳源撕裂台阶, 为多源
部较粗, 尖端较细, 裂纹两侧组织与其他区域组织相 开裂, 内表面附近有多处冲刷痕迹, 导致形貌特征不
同, 裂纹内未见异物填充。 易辨识, 扩 展 区 域 可 辨 识 出 弧 形 条 纹 [ 见 图 7b )]。
1.5 断口分析 用扫描电子显微镜对裂纹源区附近的断口进行检
用超景深三维光学显微镜对断口进行观察, 断 验, 可见疲劳辉纹形貌( 见图 8 )。

图 6 螺纹牙底裂纹微观形貌

2 分析与讨论

断口整体呈脆性断裂特征, 断面平坦且呈深灰
色, 附近无明显的塑性变形, 扩展区可见半圆形及弧
形贝壳条纹线, 内表面发现裂纹源区, 附近有多处明
显的撕裂台阶, 裂纹源区附近断口处存在明显的疲
劳辉纹, 为典型的多源疲劳断裂。断口分析表明, 裂
纹萌生于内螺纹接头内部最后一牙螺纹牙型底部与
管壁交汇的倒角处, 在周期性载荷应力作用下, 萌生
了多处疲劳裂纹, 在使用过程中, 裂纹扩展并汇聚形
成一段穿透至外壁的开裂。
通过宏观分析可知, 开裂位置是内螺纹接头的
危险截面, 此处承受的载荷与整个工具接头相同, 但
横截面面积明显小于其紧邻的柱体部位横截面积。
钻井工具接头在工作中主要承受拉伸、 扭转、 弯曲以
及振动等多种载荷, 危险截面处的实际承载能力要
图 7 断口低倍形貌 [ 4 ]
低于其他部位 。在交变轴向拉伸载荷和弯曲载荷
的不断作用下, 相比于工具接头其他部位, 特别是厚
度最大的杆柱体部位, 内螺纹的危险截面处更容易
萌生裂纹 [ 5 ] 。根据钻井工具接头应力分析相关文献
及失效分析案例研究 [ 6-7 ] , 距台肩最近的 1~2 扣完
整螺纹齿底根部承受的应力最大, 是钻柱螺纹断裂
失效的多发位置。

GB / T24956 — 2010 《 石油天然气工业 钻柱设
计和操作限度的推荐作法》 中列出了钻柱强度设计
图 8 裂纹源区附近断口处的疲劳辉纹形貌 和校核的公式, 利用式( 1 ) 和图 4 的测量结果, 对比
危险截面处与杆柱体的承载能力。
P = Y m ×A ( 1 )
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