钻杆的失效分析

石油钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具。钻杆常处于交变应力并且在与井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，往往成为整个钻井设备与工具中最薄弱的环节，由裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生。钻柱裂纹成核、扩展、刺漏等事故及断裂的控制是确保钻杆在钻井中运行安全的重要措施。为此，本文在前人研究的基础上，结合有限元分析，以实验数据为依据，对钻杆材质进行了宏观和微观分析，具体内容如下： (1)在典型钻杆断口分析方面：研究了钻杆断裂断口的形貌，根据其形貌特征得出了钻杆断裂机制，并为下一步的力学分析和微观分析做前期工作。 (2)在钻杆疲劳和断裂分析方面：主要对钻杆上带有的缺陷进行有限元模拟，得到带裂纹的钻杆的应力集中系数，算出了钻杆的疲劳寿命，对钻杆各部分的裂纹敏感性进行比较，得出了钻杆裂纹出现的危险区域，并根据断裂力学理论和有限元分析获得了微裂纹处的应力强度因子。 (3)在钻杆微观分析方面：首先对钻杆进行金相分析比较，找出钻杆性能差异的根本原因，然后用扫描电镜对钻杆进行微观分析，对裂纹和刺孔进行研究，并进行局部化学成分测量，接着研究了钻杆加厚过渡区内表面喷丸处理工艺对钻杆性能的影响，同时对钻杆进行了显微硬度的测量。 本文的创新点： (1)提出了钻杆失效的过程和概念模型，即内表面缺陷-解理断裂-裂纹疲劳扩展-过载断裂，为解决钻杆失效分析中存在的困惑(各项基本检测参数基本合格，刺穿和断裂仍有发生)提出了分析方法和手段。提出了加厚过渡带断裂和刺穿的原因之一是墩粗加工时，终止变形温度过低，这一认识为工厂墩粗过程的质量控制提供了依据。 (2)将断裂力学的方法与常规的σ-N疲劳试验相结合，为钻杆疲劳分析提供了方法，即以断裂理论为基础计算出裂纹尖端应力分布，并由此算出相应的应力集中系数。用应力集中系数法与σ-N曲线相结合，计算带裂纹钻杆的疲劳寿命。 (3)探索了钻杆失效的微观分析方法，用大量的实测找出钻杆的内部微观缺陷。这对钻杆使用方和制造方都有重要价值。