連續油管具有作業多樣性、快捷性和可靠性等優點,被稱作“萬能作業機”,廣泛應用于油田修井、鉆井、完井、測井等作業中。撓性連接器是連續油管之間及連續油管與井下作業工具之間的重要連接工具,在作業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過程中各環節的作業人員安全具有重要影響。某公司提供了一批用于連接連續油管的撓性連接器,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就出現斷裂漏水觀象。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的優化方法,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂撓性連續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和疲勞擴展區,未見明顯瞬斷區[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條疲勞輝紋,且疲勞輝紋間距較大；斷口外邊緣起裂區存在擠壓損傷痕跡,斷口外邊緣相鄰車削區（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

連續油管與撓性連接器要經歷數次彎曲-拉直循環變形,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,存在多條連續帶狀刮痕,原因是車削過程中切削參數設置不合理,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油管,塑性低于連續油管,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調性。

文章來源——材料與測試網