冷滾壓壓力對鉆具螺紋疲勞壽命影響試驗研究

(1.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065)

2015年以來，川渝地區(qū)鉆具失效事故頻發(fā)，因其地層、工況等因素復(fù)雜多變，加之前期相關(guān)研究基礎(chǔ)較為薄弱，導(dǎo)致該地區(qū)鉆具失效問題突出，不僅嚴重影響鉆井施工的正常進行，而且造成了較大的經(jīng)濟損失。鉆具失效案例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，78%刺漏及斷裂都發(fā)生于距離螺紋端面3～4扣的應(yīng)力集中處[1-3]。因此，改善螺紋應(yīng)力集中，提高鉆具材料的抗疲勞性能是解決川渝地區(qū)鉆具失效問題的重要途徑之一。

國內(nèi)外學(xué)者通過研究鉆具失效機理[4-14]，發(fā)現(xiàn)通過表面強化處理能夠改善螺紋的應(yīng)力集中，從而顯著提高其抗疲勞性能[15-17]。冷滾壓工藝作為一種改善螺紋應(yīng)力集中的螺紋表面強化處理方法已經(jīng)被學(xué)者證明可行[18]，并且各滾壓參數(shù)的確定都需要經(jīng)過嚴密的計算及試驗驗證[19]。通常，新鉆具在投入使用前都需要通過冷滾壓工藝來提高其抗疲勞性能。但是，鉆具使用一段時間后，其被送往鉆具站進行切扣并重新車削螺紋時，由于現(xiàn)場工作量大、人員較少、設(shè)備不齊全，一般不進行冷滾壓工藝處理，由此可能導(dǎo)致鉆具疲勞壽命降低，造成鉆具失效事故。鑒于此，本文在川渝地區(qū)鉆井現(xiàn)場選取了鉆桿、普通鉆鋌、無磁鉆鋌3種典型鉆具，依據(jù)疲勞試樣尺寸要求，加工成光棒試樣，開展了不同冷滾壓力對鉆具疲勞壽命影響的試驗研究。

1 試驗樣品制備

試驗樣品材料選取自川渝地區(qū)鉆井現(xiàn)場，包括127 mm(5 英寸) S135型鉆桿接頭(材料編號1#)、165.1 mm(6英寸)普通鉆鋌(材料編號2#)、165.1 mm(6英寸)無磁鉆鋌(材料編號3#)。在試驗前分別測試了試驗樣品材料的力學(xué)性能，測試結(jié)果如表1所示，均符合API Spec 7-1對鉆具材料的要求。

表1 試驗樣品材料的力學(xué)性能

根據(jù)疲勞試驗對試樣尺寸要求，在選擇的鉆具上切取材料，將其加工為?12.04 mm×80 mm的光棒，并在無心磨床上對光棒表面進行磨屑加工。然后，進行滲透探傷，結(jié)果如圖1所示，均無裂紋。

圖1 用鉆具材料加工的光棒

本文所選鉆具的螺紋型號均為NC50。因此，根據(jù)API Spec 7-1對NC50型螺紋尺寸要求，在光棒中部開槽(模擬螺紋扣)，螺紋牙底圓弧半徑0.965 mm±0.05 mm，無錐度，深度為2 mm±0.02 mm。加工好的試樣如圖2所示。

圖2 試樣形狀和尺寸示意

每種材料分別加工13件試樣，并編號。利用手動泵液壓設(shè)備(最高壓力為25 MPa，高壓排量為0.3 mL/次，滾輪直徑為50.8 mm)，通過滾輪對每個試樣的凹槽施加壓力，進行冷滾壓工藝處理。13個試樣的滾輪壓力分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa。

2 疲勞試驗方法

采用PQ-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(如圖3)對鉆具試樣進行疲勞壽命試驗。

1—右支架；2—按鈕開關(guān)；3—機身；4—計數(shù)器；5—電動機；6—連軸節(jié)；7—支座；8—連接軸；9—支承；10—球軸承；11—軸座；12—卡箍；13—試樣；14—連接桿；15—扭軸；16—吊桿；17—導(dǎo)板；18—保護罩；19—彈簧；20—左支架；21—停車按鈕；22—手輪；23—螺桿；24—拉桿；25—砝碼；26—托盤；27—磁力啟動器。

試驗前，依據(jù)不同鉆具材料試樣的力學(xué)性能，參考機械手冊第6卷，考慮理論應(yīng)力集中系數(shù)，計算其施加的彎曲應(yīng)力，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，在試驗機上懸掛相應(yīng)的砝碼，施加彎曲應(yīng)力，測試鉆具試樣在交變彎曲應(yīng)力下的疲勞極限壽命(斷裂時循環(huán)次數(shù))。

表2 試驗材料最終施加的彎曲應(yīng)力

試驗步驟：

1) 將試樣夾持在卡箍上。

2) 水平儀找平，其偏差不大于0.2/1 000，確保試樣的工作部分全長上受到均勻的純彎曲力矩的作用。

3) 旋轉(zhuǎn)疲勞試驗的彎曲載荷由試驗機懸掛的砝碼施加。在理論上，園棒形材料的斷裂循環(huán)次數(shù)與施加的載荷存在如式(1)的關(guān)系。因此，依據(jù)式(1)計算結(jié)果配置相應(yīng)的砝碼。

(1)

式中：Q為砝碼與拉桿的質(zhì)量之和，g；d為試樣直徑，mm；σ為材料的彎曲應(yīng)力，MPa；N為在此載荷下斷裂時的循環(huán)次數(shù)。

4) 開動電動機，使試樣隨主軸一起轉(zhuǎn)動，同時計數(shù)器開始計數(shù)。

5) 試樣經(jīng)過多次反復(fù)循環(huán)后，疲勞失效斷裂(過程如圖4所示)，主軸結(jié)合部右半部壓在停止轉(zhuǎn)動按鈕上，使電動機停止，計數(shù)器計數(shù)停止，試驗結(jié)束。

3 疲勞試驗結(jié)果

3.1 鉆桿接頭試樣

鉆桿接頭試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果如表3和圖5所示。根據(jù)疲勞試驗結(jié)果可知，鉆桿接頭試樣經(jīng)過冷滾壓后平均疲勞壽命可達90 858次循環(huán)，并且冷滾壓力為2 MPa時的疲勞壽命最長，可達358 200次循環(huán)，是未冷滾壓試樣(滾輪壓力0 MPa)壽命的14.44倍。

圖4 試樣的疲勞試驗

表3 鉆桿接頭試樣疲勞試驗數(shù)據(jù)

圖5 鉆桿接頭試樣疲勞壽命與滾輪壓力關(guān)系曲線

3.2 普通鉆鋌試樣

普通鉆鋌試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果如表4和圖6所示。根據(jù)疲勞試驗結(jié)果可知，普通鉆鋌試樣經(jīng)過冷滾壓后平均疲勞壽命可達590 500次，并且冷滾壓力為5 MPa時的疲勞壽命最長，可達3 302 500次，是未冷滾壓試樣(滾輪壓力0 MPa)平均壽命的170.23倍。

表4 普通鉆鋌試樣疲勞試驗數(shù)據(jù)

圖6 普通鉆鋌試樣疲勞壽命與滾輪壓力關(guān)系曲線

3.3 無磁鉆鋌試樣

無磁鉆鋌試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果如表5和圖7所示。根據(jù)疲勞試驗結(jié)果可知，無磁鉆鋌試樣經(jīng)過冷滾壓后平均疲勞壽命可達251 123次，并且冷滾壓力為4.5 MPa時的疲勞壽命最長，可達1 304 000次，是未冷滾壓試樣平均壽命的7.83倍。

圖7 無磁鉆鋌試樣疲勞壽命與滾輪壓力關(guān)系曲線

4 分析試驗結(jié)果

疲勞試驗結(jié)果表明，冷滾壓工藝能夠顯著提高鉆具螺紋的疲勞壽命。該工藝具有3個方面作用。

1) 提高零件表面平整性。

現(xiàn)場車削螺紋時，根部往往形成較尖銳的槽角，易引起較大的應(yīng)力集中，特別是各種高強度鋼對于應(yīng)力集中更為敏感，通過冷滾壓工藝可以使晶粒細化并重新排列[19]，金屬纖維產(chǎn)生均勻變形，位錯密度增高，螺紋表面不平的狀態(tài)得到較大改善，原來的尖銳槽角變?yōu)閳A滑的弧形槽，有效降低了應(yīng)力集中，緩解了疲勞斑紋和溝槽的形成[20]，抑制螺紋根部裂紋萌生和擴展[22]。

2) 在工件表面預(yù)制殘余壓應(yīng)力。

冷滾壓力會使材料發(fā)生塑性變形，并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力。但是，由于加工硬化和內(nèi)部未變形金屬的約束，導(dǎo)致其力學(xué)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余應(yīng)力[19]。當(dāng)疲勞構(gòu)件工作時，形成的殘余應(yīng)力使最容易形成疲勞裂紋的螺紋根部產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消或者減少，從而改善螺紋抗疲勞性能，使螺紋根部發(fā)生斷裂的幾率大幅降低[22]。

3) 合適的冷滾壓力可使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生。

有學(xué)者[23-24]通過理論和試驗驗證了細微先屈服區(qū)的存在，對于表面非強化材料，疲勞裂紋萌生于表面，由此導(dǎo)致斷裂紋的臨界應(yīng)力稱為表面疲勞極限。對于經(jīng)過表面強化材料，疲勞裂紋萌生于次表面，由此導(dǎo)致斷裂的臨界應(yīng)力為內(nèi)部疲勞極限。因此，只要采取合適的表面強化工藝，便可使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生，由此獲得更高的疲勞強度。

對疲勞構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)進行冷滾壓工藝預(yù)制殘余應(yīng)力，會顯著提高構(gòu)件的抗疲勞性能，這一點已經(jīng)得到證實。但是，預(yù)制的殘余壓力不是越大越好。本文鉆具試樣的疲勞試驗結(jié)果表明，冷滾壓力存在最優(yōu)值。有學(xué)者研究表明[19]，當(dāng)預(yù)制的殘余應(yīng)力過小時，無法抵消或減少疲勞構(gòu)件在使用過程中由于應(yīng)力集中所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，致使疲勞構(gòu)件的疲勞壽命無顯著增加；當(dāng)預(yù)制的殘余應(yīng)力過大時，能量會造成較大的拉應(yīng)力和切應(yīng)力，導(dǎo)致強化區(qū)表面產(chǎn)生褶皺和破裂性缺陷，這些缺陷的存在會導(dǎo)致材料表面鈍化膜破裂或應(yīng)力分布不均勻，材料抗疲勞性能降低。因此，建議在鉆具使用一段時間后，將其送回鉆具站，切扣并重新車削螺紋。對新車的螺紋使用冷滾壓工藝做表面強化處理。應(yīng)根據(jù)不同鉆具材料計算其最佳的滾輪壓力，確保最大程度提高鉆具疲勞壽命。

5 結(jié)論

1) 相比未冷滾壓試樣，冷滾壓后的鉆桿平均壽命最高提高了14.44倍；普通鉆鋌試樣的平均壽命最高提高了170.23倍；無磁鉆鋌試樣的平均壽命最高提高了7.83倍。

2) 冷滾壓工藝能夠改善材料的表面平整性，預(yù)設(shè)殘余應(yīng)力，使疲勞裂紋由表面推移到次表面上萌生。這3個方面的共同作用，從而提高鉆具螺紋的疲勞強度。

3) 對于切扣后新車的鉆具螺紋，建議使用冷滾壓工藝做表面強化處理。根據(jù)不同鉆具材料計算其適宜的滾輪壓力，使鉆具螺紋的疲勞壽命得到顯著提高。