Page 92 - 理化检验-物理分册2022年第四期
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娄 琦, 等: 钻井工具接头内螺纹牙型底部开裂原因
为材料的最小屈服强 部圆角半径为( 0.38±0.20 ) mm 。可见, 此处圆角符
式中: P 为最小拉伸载荷; Y m
度; A 为管体的横截面积。 合石油螺纹标准中梯形螺纹牙型底部圆角的通用加
根据图 4 的测量结果, 计算得出危险截面处的 工要求, 但接近要求值下限, 此处较小的圆角半径对
最小拉伸载荷仅为杆柱体的 45% 。 于该工件结构来说, 应力集中问题突出。
最小抗扭强度的计算公式如式( 2 ) 所示。
3 结论及建议
)/
(
Q = 0.096167JY m D ( 2 )
式中: Q 为最小抗扭强度; J 为极惯性矩; D 为杆柱 ( 1 )裂纹萌生于内螺纹最后一牙螺纹牙型底部
体外径。 与管壁的交汇处, 此倒角处至接头外壁的厚度远小
根据图 4 的测量结果, 计算得出危险截面处的 于临近的杆柱体壁厚, 在工作中处于显著的应力集
最小抗扭强度为杆柱体的 51% 。 中状态, 在周期性载荷的作用下, 该夹角处萌生多处
在钻井工作中, 工具接头内螺纹和外螺纹为啮 疲劳裂纹, 在使用过程中裂纹向周向和外表面扩展,
合状态, 用弯曲强度比来衡量内螺纹与外螺纹最后 最终工具接头发生开裂。
啮合处的抗弯能力。弯曲强度比的计算公式 如式 ( 2 )工具接头危险截面处, 螺纹牙型底部距离
( 3 ) 所示。 外表面的厚度远低于杆柱体厚度, 其抗拉伸、 扭转和
)/
[( 4 4 ]/[( R -R ID R ]( 3 ) 弯曲的能力较其他部位差别过大。通过参照钻柱设
4
4
B SR = R OD - b )/ R OD
为 内 外 螺 纹 连 接 外 计校核标准优化结构设计, 可提高危险截面处的承
式中: B SR 为 弯 曲 强 度 比; R OD
载能力。螺纹牙型底部的应力集中对于螺纹接头结
径; b 为外螺纹连接端面处内螺纹连接的螺纹内径;
R 为外螺纹连接台肩后紧邻的外螺纹牙型 底部直 构是普遍存在的, 通过加强螺纹加工表面质量控制,
可使工具接头的使用性能得到改善; 选择合适的局
为内外螺纹连接内径。
径; R ID
部强化方式提高应力集中处的抗疲劳强度, 可避免
根据图4测量数据进行计算, 因没有试样外螺纹
发生早期疲劳失效。
端数据, 故笔者采用不考虑螺纹锥度的方法进行简化
计算, 将 R 按照内螺纹最后一牙的顶径取值, 计算得 参考文献:
约为1.1 , 该估算结果理论上会大于用实际测
出 B SR
[ 1 ] 秦长毅, 蒋家华, 蒋存民, 等 .高性能钻杆研发及应用
量值得出的计算结果。 GB / T29169 — 2012 《 石油天
进展[ J ] . 石油管材与仪器, 2017 , 3 ( 1 ): 9-13.
然气工业 在用钻柱构件的检验和分级》 中推荐的适
[ 2 ] 刘永刚, 陈绍安, 李齐富, 等 . 复杂深井钻具失效研究
用于该试样规格的可接受弯曲强度比为 1.90~2.50 。
[ J ] . 石油矿场机械, 2010 , 39 ( 9 ): 13-16.
该试样的弯曲强度比远低于标准推荐值的下限, 弯曲 [ 3 ] 王新虎, 宋顺平 . 某油田钻铤断裂原因综合分析及建
强度比越小表示内螺纹的抗弯能力越弱, 内螺纹连接 议[ J ] . 石油管材与仪器, 2016 , 2 ( 4 ): 43-45 , 50.
胀扣、 开裂, 内螺纹最后啮合处发生疲劳裂纹和内螺 [ 4 ] 李鹤林, 李平全, 冯耀荣 .石油钻柱失效分析及预 防
纹根部断裂的概率也就越大 [ 8-9 ] 。 [ M ] . 北京: 石油工业出版社, 1999.
[ 5 ] 吉楠, 徐明军, 周怀光, 等 . ϕ 139.7mm 加重钻杆内螺
当工件结构有变化时, 局部应力高于工件的平
纹接头断裂 失 效 分 析[ J ] .石 油 管 材 与 仪 器, 2020 , 6
均应力, 成为应力集中处, 容易导致微裂纹的萌生与
( 5 ): 66-69 , 73.
扩展。在加工了螺纹的工件上, 应力在螺纹根部截
[ 6 ] 吕拴录, 倪渊诠, 杨成新, 等 . 某油田钻具失效统计分
面突变处形成了应力集中 [ 10 ] 。随着工件材料强度
析[ J ] . 理化检验( 物理分册), 2012 , 48 ( 6 ): 414-418.
的提高, 相同的结构中应力集中和裂纹扩展的敏感 [ 7 ] 刘强, 万朝晖, 吕依依, 等 . 某钻铤断裂原因分析[ J ] .
性也随之加大, 应力集中带来的 问题也更为明显。 理化检验( 物理分册), 2016 , 52 ( 5 ): 328-331.
在钻井过程中, 螺纹承受着复杂的交变应力, 在循环 [ 8 ] 屈展, 王建军.石油钻铤接头受力与其弯曲强度比的
载荷的作用下, 应力集中处首先产生微区塑性变形, 关系讨论[ J ] . 宁夏工学院学报, 1996 ( 增刊1 ): 59-62.
[ 9 ] 白强, 马健强, 韩新泉, 等 . 钻柱转换接头断裂原因分
随着载荷的增加, 微裂纹在该薄弱处萌生并快速扩
析[ J ] . 理化检验( 物理分册), 2017 , 53 ( 8 ): 585-589.
展为宏观可见的裂纹 [ 11 ] 。根据图 6a ) 测量螺纹根部
[ 10 ] 欧阳卿 . 高强螺栓受力及疲劳性能研究[ D ] . 长沙: 湖
的加工圆角半径为 0.2 mm , GB / T22512.2 — 2008
南大学, 2013.
《 石油天然气工业 旋转钻井设备 第 2 部分: 旋转台 [ 11 ] 王哲, 万夫, 杜志杰, 等 . 川渝地区某气井钻铤断裂原
肩式螺纹连接的加工与测量》 中规定了螺纹牙型底 因[ J ] . 理化检验( 物理分册), 2021 , 57 ( 5 ): 46-49.
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