收稿日期:2007-04-02
作者简介:魏善泉(1974-),男,山东德州人,助理工程师,1999年毕业于成都理工大学勘察与机电工程系机械制造专业,
主要从事石油专用管材的质量管理工作。
文章编号:1001-3482(2007)11-0030-04
<127mm @9.19mm S135钻杆管体断裂失效分析
魏善泉
(中国石化集团公司西北分公司器材供应中心,新疆轮台831600)
摘要:对油井钻杆管体断裂事故进行综合研究,用磁粉探伤、扫描电镜和金相显微镜等对断裂钻杆样品进行分析,发现钻杆纵断口的周向裂纹众多,横断口的硫化物含量明显高于附近基体金属区,
裂纹具有明显H 2S 应力腐蚀开裂特征。综合钻杆使用情况和试验分析结果,认为钻杆断裂属硫化氢应力腐蚀断裂,指出钻杆选用抗硫化氢材料及其再次使用前的存放等问题。关键词:钻杆;硫化氢应力腐蚀;裂纹;断裂中图分类号:T E921.204 文献标识码:A
Failure Analysis on Pipe Body Fracture of <127mm @9.19mm S 135Drill Pipe
WEI Shan -quan
(Sup p ly Center of M ater iel ,X ibai Comp any of SI N OPEC ,L untai 831600,China)
Abstract:T his paper presents a detailed investig ation on the drill pipe fracture accident.The fr ac -ture had many cycle cr acks and the sulfur content w as higher than that in the other area of the drill pipe based on the M T and the SEM and metalloscope etc.It co ncludes that the fracture fea -tured sulfide stress co rrosio n crack,and the drill pipe broke due to H 2S penetratio n during o pera -tion.It po ints out the ant-i hy drog en sulfide m aterial pro duce the drill pipe and its store before u -sing as w ell.
Key words:drill pipe;sulfide stress corrosion;crack;fracture 钻杆是钻井的主要工具,起着传递动力和输送泥浆的作用。钻杆承受拉、压、扭、弯曲等复杂交变载荷的作用,要求钻杆有很好的抗扭和抗冲击等力
学性能及较高的表面质量。目前的部分国产钻杆存在质量问题,给钻井公司造成了较大的经济损失
[1]
。
研究和分析国产钻杆失效的原因,不但可以避免钻
具失效事故发生,而且对提高国产钻杆质量及市场占有率有一定帮助。
1 现场事故概况
2005-03-19,某油井钻进至井深6039.30m 发现井涌而关井,在后期节流循环时发现有硫化氢存在。03-20在配压井液时发生断钻具事故,03-22下
钻打捞起钻至83立柱中部单根(2005-01-29入井,使用井段5186.16~6039.30m),发现钻杆距内螺纹端1.17m 处管体断裂,规格为<127mm @9.19m m S135钻杆。
2 试验研究分析
2.1 宏观分析与磁粉探伤
对钻杆进行清洗之后,发现在钻杆断口附近有一细长裂纹。观察钻杆断口横截面,可明显的区分出断裂区和最后断裂区(如图1),且断口平齐,断口颜色暗淡,断口上有放射花纹;对断口进行壁厚测量发现,管体壁厚符合标准规定,断口无宏观塑性变形;断裂区占断口圆周的1/3左右。此外,钻杆还存
2007年第36卷 石油矿场机械
第11期第30页 OIL FIELD EQUIPM ENT 2007,36(11):30~33
在着2条狭长的纵向断口(如图1)
。
图1 钻杆断口
对钻杆管体及断口表面与近表面进行磁粉探伤。经磁粉检测发现,再次确定断口附近存在着25mm 左右的细长裂纹(如图2);在钻杆纵向断口附近共有23条周向裂纹,长度各为3~10mm ;在横断口有3条沿管壁裂纹长度大约为5m m
。
图2 钻杆断口附近细长裂纹(样品号为3#)
2.2 取样裂纹分析
在对失效样品的3#样(含25m m 左右的细长裂纹)位置的机械加工中,3#样突然断开,其断口形貌如图3所示。分析3#样断口发现,断开前裂纹从钻杆断口表面向管体内部延伸,且沿径向从管体外表面向内表面扩展,越靠近钻杆断口表面,其径向扩展深度越大,最大扩展深度8mm 左右,已快穿透管体。裂纹断口表面已有红色锈迹,对裂纹表面清洗之后,发现表面布满条状沟壑和腐蚀坑(如图3)
。
图3 3#样断口形貌(银白色区域为机加所致新断口)
2.3 化学成分分析
经直读光谱仪分析,钻杆管体化学成分(如表1)符合API SPEC 5D 规定[2]。2.4 力学性能试验
在钻杆管体上取2514mm @50mm @300mm 的条状纵向拉伸试样和10m m @715mm @55mm 的CVN 冲击试样。试验结果分别见表2~表3,钻杆机械性能符合API SPEC 5D 规定。
2.5 扫描电镜与能谱分析
在钻杆横断口断裂区取一试样,进行扫描电镜分析。所取试样断口宏观形貌较为粗糙。低倍下观察,试样断面的外表面侧有明显的放射状花纹,为裂纹源,如图4。在距离裂纹源约20m m 区域腐蚀形貌如图5所示。
表1 化学成分分析结果
w t.%
元素C Si M n P S Cr M o N i V T i Cu 分析结果0.240.22 1.410.010
0.003
0.230.420.0220.0490.0090.03A PI SP EC 5D 表3规定
/
/
/
[0.030[0.030
/
/
/
/
/
/
表2 力学性能(拉伸)试验结果
抗拉强度/M Pa
屈服强度/M Pa 伸长率/%失效钻杆试样1112、1121、10491006、1027、94221.6、19.2、
20.2A PI SP EC 5D 表4~5规定
\1000
931~1138
\11.5
表3 力学性能(冲击)试验结果温度/e 冲击功/J 韧性断面率/%AP I SPEC 5D
表6规定2059、56、57100、100、100\43J(平均)048、49、5280、80、85\38J(个别)-1034、42、3250、60、50(21e ?2.8e ,-2028、28、2940、40、4010mm @7.5mm)-4030、24、2830、25、30-60
28、22、23
15、10、10
#
31# 第36卷 第11期 魏善泉:<127mm @9.19mm S135
钻杆管体断裂失效分析
对整个面上腐蚀产物进行能谱分析,结果见图6。从图6中得知,钻杆断口表面产物中含有S 元素,在断口上有较多的腐蚀产物FeS,S 元素含量见表4
。
图4
钻杆断口微观形貌
图5
钻杆断口腐蚀形貌
图6 钻杆断口表面腐蚀产物的能谱分析
表4 能谱分析结果
(相对质量w t%) 元素C O Si S 分析结果19.0718.680.698.82元素M n F e Zn T o tal 分析结果
0.93
50.42
1.40
100
2.6 金相分析
沿钻杆断口附近取全壁厚金相分析试样(编号:1#、2#、3#、4#,4个试样均含裂纹),经抛光后,进行金相分析,按GB10561-89评定钻杆材料非金属夹杂物,结果为:A0.5,B0.5,D0.5。按GB6394-2002评定钻杆材料晶粒度为8级。
钻杆材料基体组织为回火索氏体(图7)。1#、
2#试样的断口表面组织有磨损白亮层组织,最厚处为0.78mm(图8),且2#试样外壁表面接近断口处有一弧形裂纹。3#、4#试样的断口表面组织与基体组织相同,4#试样断口边缘有数条裂纹,最长裂纹长度为1.8mm ,其余均很细小(图9)。
图7 钻杆基体组织
图8 2#断口表面白亮层组织
图9 4#断口裂纹形貌
图8中白亮层组织是由于钻杆断口摩擦引起的
高温在钻井液的冷却下,在断口表面产生的淬火马氏体。
3 综合分析
钻杆的横断口由2部分组成:断裂区和最后断裂区断口平齐且无宏观塑性变形,均表现为脆性断裂的特征;钻杆纵断口周向裂纹多,横断口有明显的放射状花纹,断口表面产物含有过高的S 元素,这表明井下作业中存在硫化氢。
从钻杆的力学性能分析得知,该钻杆具有良好的韧性,但在硫化氢环境中作业时一旦有裂纹存在,并承受外载作用,便易造成裂纹急剧扩展,形成如图3所示的裂纹形貌,最终导致断裂,这就需要考虑耐硫化氢腐蚀材料的选用。钻杆材料的晶粒度为8级,
#
32#石油矿场机械 2007年11月
其组织已很细小,但仍有很大发展余地(如晶粒度9级以上),晶粒度越高,材料性能也越好。
从现场资料知道失效钻杆的工作环境介质中有硫化氢存在,钻杆还承受着较大的拉应力,而且API S135钻杆对硫化氢应力腐蚀比较敏感,在硫化氢作业条件下钻杆性能差。故发生应力腐蚀破裂的3项基本条件已完全具备,再加上钻杆横断口形貌及特征分析,本失效钻杆具有明显的硫化氢应力腐蚀破裂特征。
4 结论
1) <127mm @9.19m m S135钻杆断裂原因
为硫化氢应力腐蚀断裂。
2) 该井在钻进过程中有硫化氢存在,钻进时应选用抗硫化氢材料,控制钻井液pH 值。3) 该批钻杆再次使用前应在室温下放置一段时间(以便氢从材料内部逸出),并需经无损检测证实没有裂纹缺陷存在才能继续使用。
参考文献:
[1] 李鹤林,李平全,冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防
[M ].北京:石油工业出版社,1999.
[2] AP I SPEC 5D,Specificat ion for Drill Pipe[S].第5版.
2001.
收稿日期:2007-07-06
作者简介:王佑坤(1978-),男,四川巴中人,助理工程师,主要从事石油化工工程管理工作,E -mail:lzshw angy ouk@cnpc.
https://www.doczj.com/doc/216970151.html, 。
文章编号:1001-3482(2007)11-0033-03
空气压缩机变工况运行试验研究
王佑坤1,朱荣东2
(1.兰州石化公司工程造价部,兰州730060;
2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500)
摘要:在空气钻井作业中,由于受特殊地区和气候条件的影响,使得空压机在变工况运行时不能满足现场作业要求。对活塞式空气压缩机进行了室内试验,研究了吸气压力、吸气温度对排气量和功耗的影响,指出提高压缩机的吸气压力,降低吸气温度是提高压缩机排气量、降低功率消耗的有效措施,为空气压缩机在空气钻井中的合理应用提供科学依据。关键词:空气钻井;空压机;排气量;变工况中图分类号:T E242.607 文献标识码:A
The Experimental Study of Air -compressor Under Changing -work Condition
WANG You -kun 1,ZH U Rong -dong 2
(1.Dep ar tment of Cons tr uction Cost ,L anz hou Chemical Comp any ,CN PC,L anz hou 730060,China;
2.State K ey L abor ator y of Oil and Gas Reser voir s Geology and E x p lor ation,Southw es t
Petr oleum Univ er sity ,Chengdu 610500,China)
Abstract:In the operation of air drilling,ow ing to special regio ns and clim atic condition .s influ -ence,the air -co mpresso r can not satisfy w ith field operation.This paper intro duced in -house labo -
2007年第36卷 石油矿场机械
第11期第33页 OIL FIELD EQUIPMENT 2007,36(11):33~35
钻杆失效原因分析 在钻井过程中，钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果，甚至使井报废。我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起，经济损失巨大，每年进口各种规格的钻杆就要耗用数亿元人民币的外汇。随着浅层资源的不断枯竭，今后越来越多的钻深井、超深井，钻杆的安全可靠性就成为一个十分突出的问题。 钻杆失效一般表现为本体断裂和刺漏，钻杆螺纹处失效等。原因大致是由以下一些因素引起的：钻进时钻杆的基本力学工况，钻具的组合及钻井工艺，井径规则性，偏磨，螺纹密封脂，钻井液，钻杆结构和材料，地层因素，井内腐蚀介质等，以上因素交互作用的结果导致钻杆失效。 钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在远远小于100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。 钻具组合及钻井工艺钻杆作为一个旋转的细长弹性杆件，有其固有振动频率，钻具的组合决定了此固有频率。钻杆旋转时还会产生纵向、横向和扭转3种形式的振动，当它们的频率与固有频率相吻合时则产生共振。共振的结果会在原来钻杆疲劳应力的基础上附加一个额外的疲劳应力，加速钻杆的失效。采用长效螺杆钻杆替代转盘钻定向井、水平井的钻井工艺可以减少钻杆的旋转弯曲疲劳程度。 如牙轮钻头轴产生的纵向振动频率与钻头－钻柱系统的固有自振频率相同时会出现共振，使钻头的振幅增大，产生极大的冲击载荷，加剧钻杆疲劳。再如用于不同直径或不同扣型钻杆过渡的配合接头使用不当，配合接头本身螺纹(主要是公扣)和与之相连的钻杆螺纹就可能断裂。
煤矿用钻杆断裂原因及解决措施浅析 【摘要】安全一直是煤矿井下施工的重中之重，在煤矿井下瓦斯抽采、煤矿探放水钻孔等施工过程中，钻杆是钻孔装备的重要组成部分，钻杆在钻进过程中的受力状态复杂，实际工况要求钻杆具备良好的性能。在实际的煤矿施工中如果钻杆断裂，必定会对造成安全事故，本文分析了煤矿钻孔用钻杆材质、加工工艺与质量、现场使用时钻进工艺等产生钻杆断裂的原因，并提出了如何提高并稳定钻杆质量、减少防止钻杆施工过程中发生断裂事故的措施。 【关键词】钻杆煤矿坑道钻机钻杆断裂原因分析解决措施 在煤矿井下瓦斯抽采、探放水的钻孔施工中，经常使用煤矿坑道钻机，钻杆作为钻机的重要组成部分，在钻孔施工现场大量使用。实际钻进过程中，钻杆处于孔内复杂的工作状态，通常承受拉、压、弯、剪扭、液力、振动等交变载荷，并伴随着液体的冲刷，钻进时经常出现钻杆断裂现象。钻杆断裂不仅影响正常生产，而且还因打捞困难使事故恶化，造成人力、财力的损失，给煤矿的施工安全带来很大影响。因此，正确客观分析钻杆的断裂原因，提前采取有效预防措施，提高控制钻杆质量，降低钻孔事故率，有重要的意义。 1 煤矿勘探用全液压动力头式钻机介绍 分体式全液压动力头式煤矿坑道钻机现已成为国内普遍生产的一种矿用回转式钻机。在煤矿井下钻孔施工中被广泛应用，其结构分主机、泵站、操纵台三大部分，适用于回转和冲击回转给进，主要用于煤矿瓦斯抽采、煤矿井下探放水、探地质构造、探煤层厚度、煤层注浆注水及管棚等各类工程钻孔的施工。 其解体性好，搬迁方便，机械式拧卸钻具，卡盘、夹持器与油缸之间，回转器与夹持器之间可联动操作，自动化程度高，工作效率高，操作简便，工人劳动强度小；采用双泵系统，回转参数与给进参数独立调节，提高了钻机对各种不同钻机工艺的适应能力，用支撑油缸调整机身倾角方便省力，回转器采用通孔结构，钻杆长度不受给进行程的限制，操作台集中操作，人员可远离孔口，有利于人身安全。 2 煤矿用钻杆介绍 在煤矿瓦斯抽放、对煤层注水等钻孔施工过程中，钻杆是必不可少的设备，作为钻机的配套设备，钻杆质量的好坏就直接影响施工的安全与进度，然而由于煤矿中钻杆需要承受的压力、材质、以及加工工艺的不同，使得钻杆存在一些质量的问题，这必将影响煤矿施工的进度。下图是直径为42毫米的钻杆结构图，不仅包括外锥螺纹接头、无缝地质钢管还包括内锥螺纹接头，这个就是矿用钻杆的最基本结构。因此我们要想提高钻杆的质量，就要先从钻杆断裂的原因着手，从而找到对钻杆质量安全的控制对策（如图1）。
地质钴杆工作环境恶劣，工作环境差易磨损、易腐蚀、易疲劳综合力学要求高。钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂, 将会对工程造成严重影响，不仅是经济上的巨大损失，而且影响工期，失去信誉, 后果不堪设想。因此，作为施工个人或企业，一定要学会如何正确地选择和使用钻杆；而作为钻杆生产厂家，要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求, 生产出高强度、高韧性和高可靠性的钻杆。 地址钻杆失效原因我们可从两方面来分析，人为因素和钻杆本身存在的缺陷，钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。 钻杆在导向、定向钻进时往往在受到较大拉力和扭力作用的同时，还受到弯曲力的作用。钻杆通过曲线段时，钻杆被迫弯曲，弧线内侧受压应力作用，弧线外侧受拉应力作用。当钻杆在曲线段旋转时，杆体就受到拉压交变应力的作力，而钻孔曲率半径越小交变应力就越大。研究表明这个交变应力达到一定值后，就极容易使钻杆产生疲劳裂纹。钻杆刚开始产生的疲劳裂纹疲劳裂纹非常微小，肉眼很难发现，但疲劳裂纹发展速度极快，最后表现为突然的脆性断裂。试验证明，钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是钻杆断裂失效的主要原因。 施工队伍有很多是经验丰富素质高的专业公司，也有临时拼凑起来的没有任何施工经验和技术的队伍，他们往往连钻杆（或钻孔）的曲率半径都没听说过，不太了解地址钻杆的特性是造成钻杆断裂的人为方面的主要原因。这要通过学习和培训加规范施工来解决。下表中列出来地质钻杆失效的部位和表现形式及原因。 表一
三、避免钻杆非正常失效的措施 钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狹长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。 根据钻杆的失效原因分析，钻杆除正常磨损而失效外，钻杆的非正常失效原因可分为为两个方而：工人操作原因和钻杆自身质量原因。因此，我们可以从提高钻杆质M和规范操作两方而来避免钻杆非正常失效。 1.提高钻杆质量 (1)钻杆材料选择：为适应钻杆的受力分析，钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管，合金元素中应含有较多的 Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性
石油专用管螺纹管材的类型及规格之一 ---------钻具接头螺纹 钻具接头螺纹用于如钻铤、钻杆、钻具稳定器及转换接头等钻井工具及钻柱构件的连接。 目前生产和检验依据的标准主要是API SPEC 7。 API SPEC 7称钻具接头螺纹为“旋转台肩连接”，是石油钻探行业连接钻柱构件最主要的机械机构。这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连结部分直径误差的特点，因此互换性程度高、结合紧密和装拆容易。其技术特点为英制锥管螺纹、有台肩连接、三角形螺纹，在管材连接 中应用极为广泛。其主要螺纹型式如表1所示。 表1：钻具接头螺纹类型 序号螺纹型式螺纹牙型规格与种类 1 数字型（NC） V-0.038R NC23-NC77共计13种 2 内平型（IF） V-0.065 23/8in-51/2in共计6 种 3 贯眼型（FH） V-0.065V-0.050V-0.040 31/2in-65/8in共计5种 4 正规型（REG） V-0.050V-0.040 23/8in-85/8in共计8种 1. 内平型螺纹 该型钻具接头螺纹连接外加厚或内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径、管体加厚内径与管体内径相等或近似的通径。所有规格螺纹均采用V-0.065平顶平底三角形牙型，这种牙型为平牙底，牙顶较宽度为0.065英寸（1.651mm）。除51/2IF外，其它规格螺纹的因结构尺寸与相应的数字型螺纹完全相同，故具有互换性。该型螺纹因其牙型结构易导致应力集中，API已将其淘汰，其中包括41/2IF和4IF，它们就是曾经在我油田被大量使用的410、411和4A10、4A11，取而代之 的是NC50和NC46数字型螺纹。 2. 贯眼型螺纹 该型钻杆接头螺纹连接内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径和加厚端内径相等，而均小于钻杆管体内径的通径。该型螺纹的规格虽然为数不多，但却使用了V-0.065、V-0.050（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.050英寸，1.27mm）和V-0.040（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.040英寸，1.02mm）
在钻井过程中，钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果，甚至使井报废。我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起，经济损失巨大，每年进口各种规格的钻杆就要耗用数亿元人民币的外汇。随着浅层资源的不断枯竭，今后越来越多的钻深井、超深井，钻杆的安全可靠性就成为一个十分突出的问题。 钻杆失效一般表现为本体断裂和刺漏，钻杆螺纹处失效等。原因大致是由以下一些因素引起的：钻进时钻杆的基本力学工况，钻具的组合及钻井工艺，井径规则性，偏磨，螺纹密封脂，钻井液，钻杆结构和材料，地层因素，井内腐蚀介质等，以上因素交互作用的结果导致钻杆失效。 钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在远远小于100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。 钻具组合及钻井工艺钻杆作为一个旋转的细长弹性杆件，有其固有振动频率，钻具的组合决定了此固有频率。钻杆旋转时还会产生纵向、横向和扭转3种形式的振动，当它们的频率与固有频率相吻合时则产生共振。共振的结果会在原来钻杆疲劳应力的基础上附加一个额外的疲劳应力，加速钻杆的失效。采用长效螺杆钻杆替代转盘钻定向井、水平井的钻井工艺可以减少钻杆的旋转弯曲疲劳程度。 如牙轮钻头轴产生的纵向振动频率与钻头－钻柱系统的固有自振频率相同时会出现共振，使钻头的振幅增大，产生极大的冲击载荷，加剧钻杆疲劳。再如用于不同直径或不同扣型钻杆过渡的配合接头使用不当，配合接头本身螺纹(主要是公扣)和与之相连的钻杆螺纹就可能断裂。 井径不规则影响井径不规则或扩径严重的井段，钻杆的弯曲程度随之相应增大，钻杆旋转时连接螺纹部位受交变弯曲应力加速钻杆疲劳失效，同时螺纹连接受力复杂化，加剧了螺纹疲劳损坏。 偏磨井下钻杆旋转时存在着自转、公转、自转和公转共存3种形式。自转引起钻杆的均匀磨损，公转引起钻杆的偏磨，磨损后使钻杆强度下降。 螺纹密封脂使用或涂抹方法不当，如用柴油清洗钻杆丝扣、螺纹密封脂不加盖混入钻井液、杂质或加机油稀释使螺纹密封脂附着困难、螺纹密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成钻杆螺纹连接时不能进行有效的密封和润滑而发生丝扣黏结。
三、避免钻杆非正常失效的措施 钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。 根据钻杆的失效原因分析，钻杆除正常磨损而失效外，钻杆的非正常失效原因可分为为两个方面：工人操作原因和钻杆自身质量原因。因此，我们可以从提高钻杆质量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。 1．提高钻杆质量 （1）钻杆材料选择：为适应钻杆的受力分析，钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管，合金元素中应含有较多的Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性
（即抗弯性能）。有时还含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。常用的杆体材料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB等。 用于杆体的无缝钢管的壁厚均匀度和轧制缺陷也是影响钻杆质量的重要因素。如轧制的钢管壁厚均匀情况严重，当钻杆较大的扭力作用时，容易在壁厚较薄处纵向裂开。有的钢管有重皮、气孔等缺陷，钻杆易从此处产生应力集中断裂或刺漏。 钻杆接头受力最为复杂，接头材料须有很高综合机械性能。钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo.30CrMnSiA棒料制造，但经过锻造的接头材料能大大提高其综合机械性能。 （2）加工工艺选择：目前国内钻杆从加工工艺分主要有整体锻造钻杆（简称整体钻杆）、镦粗＋摩擦焊钻杆（简称镦焊钻杆）和单纯摩擦焊钻杆（简称摩擦焊钻杆）。三种钻杆的优缺点比较如表二。 表二 性能、价格摩擦焊钻杆整体钻杆镦焊钻杆 丝扣耐磨性好差好 接头强度高中高 接头加工精度高差高 保定尺长度易难易 焊缝强度低——高 整体性能差（易断）较好很好 价格低高低 性价比低中高 （3）镦粗加厚段的处理：不管是整体钻杆还是镦焊钻杆，镦厚部分与未镦厚部分之间的过渡段处理好坏是影响镦锻质量的主因素。过渡段应有足够的长度，壁厚过渡均匀、光滑，无折皱。杆体经镦锻后最好进行整体调质处理，以去除过渡段内应力，并提高其综合机械性能。 （4）接头结构型式 a. 应力分散槽：试验研究表明，导向、定向钻杆受循环弯曲应力作用而疲劳断裂是钻杆的主要失效形式，而这种失效主要发生在钻杆公接头根部或公接头螺纹根部。在钻杆公接头根部设计应力分散槽可有效地减小该处应力集中，从而提高其抗弯能力。此外，尽量增大螺纹直径、锥度螺纹设计和加大螺纹丝底圆弧半径也能明显改善钻杆公接头根部的抗弯能力。
材料失效分析 ——金属的疲劳破坏 1.1材料失效简介 材料失效分析在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防止或减少断裂事故的发生；可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反馈作用，明显提高经济效益。大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。 所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。亦可称为故障或事故。一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据： （1）零件完全破坏，不能工作； （2）严重损伤，继续工作不安全； （3）虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。 上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。 机械零部件最常见的失效形式有以下几种： 1.断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应力脆性断裂失效；疲劳断裂失效； 蠕变断裂失效；应力腐蚀断裂失效。 2.表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表面疲劳失效 3.变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效,同一种零件可有几种不同失效形式。一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。 2.1疲劳破坏 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械 、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。 金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。 2.2疲劳断裂的特征 1、疲劳断裂应力1σ（周期载荷中的最大应力 max σ）远比静载荷下材料的抗拉强度 b σ低，甚至比屈服强度s σ也低得多。 2、不管是脆性材料或延性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂，故疲劳断裂一般表现为低应力脆断。 3、疲劳破断是损伤的积累，积累到一定程度，即裂纹扩展到一定程度后才突然断裂。 断裂前要经过较长时间的应力循环次数N （＝104；105；106……）才断裂，所以疲劳断 裂是与时间有关的断裂。在恒应力或恒应变下，疲劳将由三个过程组成：裂纹的形成（形核）；裂纹扩展到临界尺寸；余下断面的不稳定断裂。在宏观上可清楚看到后二个过程。 4、材料抵抗疲劳载荷的抗力比一般静载荷要敏感得多。疲劳抗力不仅决定于材料本 身，而且敏感地决定于构件的形状，尺寸、表面状态、服役条件和所处环境等。
测试与分析 螺栓断裂失效原因分析 华南理工大学机电系(广州 510641) 高 岩 李 林 许麟康 【摘要】 合金结构钢(相当于我国35CrMo钢)制螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,在生产线上用气动搬手装配时相当部分发生断裂。失效分析结果表明,机加工时螺纹根部及表面形成微裂纹,以及回火不足,硬度偏高,共同造成了螺栓失效。 关键词:低合金钢 螺栓 微裂纹 F ailure Analysis on the Fracture of Bolts G ao Yan,Li Lin,Xu Linkang (Department of Mechano2Electronic Engineering,S outh China University of Technology,Guangzhou510641)【Abstract】 A batch of bolts with size of M4×1135used to connect cylinder body and cover of air conditioner com pressor were made of imported low alloy steel close to35CrMo in com position1However,a great proportion of the bolts fractured when being assembled us2 ing pneumatic spanner1After failure analysis,it was found that the main reason for the ru pture of bolts was the micro2cracks induced by machining.At the same time,non2enough tempering which resulted in the brittleness of the material also accounted for the fracture1 K ey w ords:low alloy steel,bolt,micro2crack 某标准件公司一批螺栓,规格为M4×1135,材料为合金结构钢,相当于我国的35CrMo钢,冷墩头部,搓制螺纹,热处理工艺为淬火+回火,并进行发兰处理,规定σb>1000MPa, (32～38)HRC。螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,但在生产线上用气动搬手装配时相当部分螺栓在与螺栓交截的第二、第三螺纹牙根处发生断裂。我们对该批螺栓的断裂原因进行了分析。 1 金相观察及硬度分析 在一批断裂螺栓中随机选取2个断裂螺栓头,将其沿轴向剖开,制备轴向剖面的金相试样,抛光状态(未侵蚀)下可见在螺纹尖端和根部有明显裂纹存在(图略);这些微裂纹由于高度的应力集中,在外力作用下极容易发生失稳扩展,从而导致螺栓断裂。 将上述抛光态试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下观察,发现其组织形态都很相似,为保持原马氏体位向的回火索氏体,见图1所示。35CrMo钢用作螺栓时,应有较好的综合力学性能,其组织应以调质状态为佳,即淬火+回火后得到回火索氏体。而本例中螺栓组织状态虽是回火索氏体,但原马氏体位向十分明显,显然会使材料的塑性和韧性受损,脆性增加,材料硬度也会增加。沿螺牙顶端到根部依次打硬度,所得结果见表1,可见硬度范围为(37～41)HRC,偏高于螺栓规定的硬度范围。螺栓硬度偏高的原因主要是回火不足或不充分造成的。 2 扫描电镜观察分析 为弄清螺栓断裂的机理,按断口形貌特征选取了9个样品,将其用物理方法清洗干净后置于扫描电镜下进行观察,发现断口有3种类型:第1类是断口边缘只有一个剪切唇(1号样品),第2类是断口边缘有2个剪切唇(2号样品),第3 高岩:女,35岁,工学硕士,讲师,曾以访问学者身份在葡萄牙焊接质量研究所(ISQ)工作,兼任中国机械工程学会失效分析分会失效分析工程师。主要从事高温合金,金属材料的腐蚀与防护,失效分析及工业设备寿命评估等方面的工作。已在国内外学术刊物上发表论文10余篇。收稿日期:1997年8月19 日。 图1 螺栓基体组织 ×500 表1 螺栓的硬度HRC 选点12345 试样14137393937 试样24039.5413937 类是断口边缘有3个剪切唇(3号样品),且以第3类断口数量居多。图2是2号样品的宏观断口形貌。这些断口边缘除剪切唇处或凸起或凹进以外,其余边缘处都较平滑,这与一般断裂由心部起源,最后断裂边缘处为杯口状剪切唇的断口形貌特征显然不同,而且,从断口的放射辉纹的走向看,断裂的起源都在断口的边缘即螺纹的根部上,而不是在螺栓的心部。对3类断口分别在扫描电镜下进行了详细的观察,图3a～3d 为2号样品的微观形貌。a是始断区,从右侧的螺纹面上可见明显发兰处理后的表面氧化膜,在螺纹面与断口的交界处(即螺纹根部)可见二次裂纹和摩擦痕存在;将a放大至b,可见摩擦痕底下是氧化物,而摩擦痕明显位于断口一侧,由此可以推断:此摩擦痕处在断裂前就已经有裂纹存在,裂纹为搓制螺纹时所产生,在随后的发兰处理过程中此裂纹内部也进行了发兰处理,形成了氧化膜,其形态与螺旋表面的发兰膜相 43《金属热处理》1998年第2期
作业：（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构 ◆材料为镍基高温合金，为什么？ ◆服役环境的要素有哪些？ ◆有可能发生的失效类型是什么？ ◆如何设计实验确定失效的类型？ ◆改进的建议和措施 一．涡轮叶片的材料 涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。 涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金。有的镍基高温合金含镍量达到70%左右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有： 1.物理性能。具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。 2.耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛。 3.机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。 4.高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。 5.热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊。 总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。 二.涡轮叶片的服役环境 涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有： 1.不均匀的高温条件下工作。涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720℃～1120℃，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。 2.高转速条件下工作。涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。 3.高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。 4.受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。 三．可能发生的失效类型 根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。 1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。 大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。 2.非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。 总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。 四．设计实验确定失效的类型 1.疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。 2.蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。
螺纹断裂分析 螺纹 一般情况下，我们对于螺栓断裂从以下四个方面来分析： 第一、螺栓的质量 第二、螺栓的预紧力矩 第三、螺栓的强度 第四、螺栓的疲劳强度 实际上，螺栓断裂绝大多数情况都是因为松动而断裂的，是由于松动而被打坏的。因为螺栓松动打断的情况和疲劳断裂的情况大体相同，最后，我们总能从疲劳强度上找到原因，实际上，疲劳强度大得我们无法想象，螺栓在使用过程中根本用不到疲劳强度。 螺纹紧固件的松动不是由于螺栓的疲劳强度： 螺纹紧固件在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次。换句话说，螺纹紧固件在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了它大能力的万分之一，所以说螺纹紧固件的松动也不是因为螺栓疲劳强度。 螺纹紧固件损坏的真正原因是松动： 螺纹紧固件松动后，产生巨大的动能mv2，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，致使紧固件损坏，紧固件损坏后，设备无法在正常的状态下工作，进一步导致设备损坏。 受轴向力作用的紧固件，螺纹被破坏，螺栓被拉断。 受径向力作用的紧固件，螺栓被剪断，螺栓孔被打成橢圆。 选用防松效果优异的螺纹防松方式是解决问题的根本所在：目前，最先进和效果最好的防松方式是唐氏螺纹紧固件防松方式。唐氏螺栓在四辊破碎机上使用、在液压破碎锤上使用，其强度都没有增加，而螺栓不再断裂了。 唐氏螺纹防松方式 唐氏, 螺纹 目前，最先进和效果最好的防松方式是唐氏螺纹紧固件防松方式。 唐氏螺纹同时具有左旋和右旋螺纹的特点。它既可以和左旋螺纹配合，又可以和右旋螺纹 配合。 联接时使用两种不同旋向的螺母。工作支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。使用时先将紧固螺母预紧，再将锁紧螺母预紧。 在振动、冲击的情况下，紧固螺母会发生松动的趋势，但是，由于紧固螺母的松退方向是
金属材料及零部件失效分析 随着科学技术和工业生产的迅速发展，人们对机械零部件的质量要求也越来越高。材料质量和零部件的精密度虽然得到很大的提高，但各行业中使用的机械零部件的早期失效仍时有发生。通过失效分析，找出失效原因，提出有效改进措施以防止类似失效事故的重复发生，从而保证工程的安全运行是必不可少的。 相关行业 汽车零部件、精密零部件、模具制造、铸锻焊、热处理、表面防护等金属相关行业。 常见失效模式 断裂：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、液态金属脆化、氢脆 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀 磨损：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损、变形磨损 其他：功能性失效、物理性能降级等等 金属失效分析的意义
1. 减少和预防产品同类失效现象重复发生，减少经济损失，提高产品质量； 2. 为裁决事故责任，制定产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。 失效分析常用手段 （1）断口分析： 分析断裂源、断口特征形貌，并分析这些特征与失效过程的相互关系。 解理断裂沿晶断裂 （2）金相组织分析 评估组织级别、工艺匹配程度、缺陷等级等等。
（3）成分分析： SEM/EDS； ICP-OES； XRF； 火花直读光谱。 （4）痕迹分析： 分析失效件与成型、使用、环境交互影响留下的细微痕迹。
（5）热学分析：评判材料在热环境使用的合理性。 （6）机械性能分析：评估力学强度、硬度、热性能等指标是否符合使用要求。（7）微区分析：分析表面形貌及微区成分，为失效机理推断提供定性定量依据。（8）极表面分析：对极表面腐蚀产物、微量异物进行定性定量分析。
钻杆螺纹断裂失效分析 鲍洪峰刘道喜 （无锡双马钻探工具有限公司技术研发中心 江苏 无锡 214000） 江苏钻通生产的X320型钻机中钻杆在使用一段时间，在钻杆螺纹处断裂。为查明原因进行失效分析。 钻杆材料为42MnMo7，化学成分由厂家提供，有待进行复验。 钻杆规格：￠73*8*3000mm。 技术要求：钻杆整体进行调制处理，硬度30~35HRC。抗拉强度：≧965Mpa， 屈服强度：≧865Mpa 钻杆结构及断裂位置如图1所示。 （图1）钻杆结构及断裂位置示意图 1、宏观分析 送检式样的宏观形貌如图2所示。 （图2）试样宏观形貌 从图2中看到断口在螺纹的第三级上，断口基本齐平与轴向垂直，无明显塑性形变痕迹，断口形貌如图3所示。 从图3中看到，断口的外圈有一个平台区，平台上可看到明显的贝纹线，这是疲劳裂纹扩展留下的痕迹，也是裂纹扩展时停歇后留下的痕迹，所以根据典型的贝纹线形貌可以确定，断口的断裂类型为疲劳断裂。断裂过程为：在螺纹根部的一周都有疲劳裂纹源，一周的裂纹同时向轴心扩展，根据受力的大小反应出扩展的快慢，从图3看到，右侧的受力要偏大于左侧，因平面区域大，且疲劳扩展的贝纹线清晰可见。当剩余直径的截面积承受不了工作载荷后，即发生最后的瞬时断裂，因为受到的是扭力，所以最后断裂区与轴向呈45度，并且断口粗糙。各区的放大形貌如图4所示。 （图3）断口宏观形貌 从图3中可以看出公扣的牙底部份的储油空 （a）疲劳扩展区右侧 （b）疲劳扩展区左侧
（图4）断口局部放大形貌 2、显微分析 在图4a中红框位置取样，沿纵截面按照常规制样方法制样，进行显微组织分析。式样的纵截面上即可看到其他螺纹根部也有宏观裂纹产生，如图5所示。宏观裂纹长度大约为2~3mm。从截取的试样上看到，断口处的螺纹顶部已被挤压磨损掉了，如图6所示。 （图5）螺纹根部宏观裂纹形貌 （图6）螺纹顶部磨损形貌 观察试样心部及表层显微组织均为回火索氏体组织，组织分布均匀，如图7所示。 心部组织形貌
金属材料的断裂 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。 4. 断口分析 断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。 （1）宏观断口分析 断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 （2）微观断口分析（需要深入研究） 5. 脆性破坏事故分析 脆性断裂有以下特征： （1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
一、关于钻进中钻杆折断的原因是多方面的，也是钻探生产过程中的常见事故。 二、关于钻杆折断的原因 大概有以下几点： 1、材质与加工 （1）钻杆材质。如今钻探材料的市场比较乱，不诚信商家以次充好，绝大多数用户只考虑低价，而没有能力分辨管材质量，乱采乱购。不少用户花了高价格，买了次材质管材，还振振有词说自己的东西如何如何好。 （2）加工质量。主要是连接丝扣的加工标准、加工扣型、加工质量、加工精度等等。 （3）热处理工艺。如调质和硬化处理。 2、配套 钻杆和配套接手应该选择一个生产厂家，保证标准统一，达到最好的配套性。好多用户是张三钻杆李四接手。 3、现场使用 （1）搬迁过程中，要轻拿轻放，不能乱摔乱丢。 （2）卸丝扣的过程中，切不可用大锤用力敲击。 （3）发现磨损超差的应该立即更换。 （4）钻杆是有使用寿命的，超过服役期，应该整体更换。 （5）避免已经该报废的钻杆和新钻杆混合使用。 （6）避免不同标准的钻杆混合使用。 4、钻进工艺技术 （1）合理的钻头钻具级配，保持合理的外环间隙，使用合适的减阻剂，保持泥浆的润滑性，降低钻具的回转阻力。 （2）防止钻孔超径，出现钻具弯曲，从而导致钻杆折断。 （3）合理的钻进工艺参数，过高的钻压和过高的转速容易导致钻杆折断。 （4）地层复杂的情况下，采用绳索取心钻进，应采用相应的治理措施，否则钻杆折断事故不断发生。 （5）操作过程中，避免强镦强扭。 三、关于钻杆折断和钻机功率的问题 我是这样认为的，不能将钻杆折断归绺于钻机的功率上。那样的想法不是实事求是。关于这个问题，我从两方面谈。 1、钻机的选择和钻杆的选择是根据工程的目的需要而定的。也就是说，要根据钻孔的孔深、地层情况、钻孔口径、钻进方法、施工条件来选择设备和管材。例如，如果钻孔很浅，不超过300米，我们可以选功率小，质量轻的钻机，选择直径小的钻杆就可以了。如果钻孔深，超过500米，超过1000米，那钻机的选择、钻杆规格和质量的选择就和浅孔不一样了。总之，钻探设备和配套管材的选择要和施工需要结合。 2、现场出现钻杆折断事故频繁的现象，要实事求是地分析原因，不能归绺于钻机能力大。我们应该找找根本的原因，例如，钻杆质量如何，是不是超径了，孔内阻力大，泥浆砂粉多，钻压是不是大了，转速是不是太高了，钻具和接手是不是磨损过大了，孔径是不是缩小了等等。当然钻机能力大的时候，加压能力大，回转扭矩大，即使孔内阻力大，钻机也不会表现出来吃力，在这种情况下，如果我们的操作员不了解孔内情况，很容易造成钻杆扭断或变形。如果钻机能力小，孔内阻力大时，钻机很吃力，表面上看起来好像功率不够。这种情况不能说钻杆断是钻机的能力太大，而是我们的操作员或现场技术人员自身技术素质差，分析问题、解决问题的能力差。按照这些人的思维，1500米或2000米钻机不能施工浅孔了？不能使用小直径强度较低的钻杆了吗？
3.刚的晶内偏析不可以通过热处理方法予以消除·······（×） 4.钢中氢含量偏高容易导致钢中出现气孔和白点·······（√） 5.魏氏组织会降低刚的强度，但是可以提高钢的韧性···（×） 6.钢中夹杂物会降低钢的塑性、韧性和疲劳强度·······（√） 7.钢的脱碳会降低钢的疲劳程度·····················（√） 8.焊缝延迟裂纹一般与焊缝中的含氢量有关···········（√） 9.焊缝淬火裂纹一般与焊缝中的马氏体有关···········（√） 10.磨损失效是金属构件失效的主要方式··············（×） 11.河流花样和舌状花样是脆性断口和典型微观形貌特征（√） 12.应力腐蚀开裂是应力和腐蚀共同作用的结果·······（√） 13.能谱成分分析技术可以用于钢中碳含量分析·······（×） 14.扫描电镜分析技术是建立在可见光反射原理基础之上的（×） 15.就金属断裂而言，正断可能是韧性的，而切断总是韧性的（√） 1、钢的晶内偏析可以通过何种热处理方法予以消除？ 扩散退火钢加热到上临界点(Ac3或Accm)以上的较高温度（一般为1050～1250℃），经过较长时间的充分保温，然后缓冷的热处理叫扩散退火，也叫均匀化退火。这种退火的目的是，借原子在高温下可以较快的扩散，减少或消除各种合金元素及非合金元素在钢中的显微偏析，使化学成分趋于均匀化，以达到改善钢的组织，提高钢的力学性能的目的。 2、钢中S、P杂质元素容易造成哪些性能缺陷？ S以Fes形态存在于钢中，Fes和Fe形成低共熔化合物，引起热脆。
P虽然可以提高钢的强度和硬度，但会引起塑性和冲击韧性的下降，使韧脆转变温度上升，引起冷脆。 3、钢中H元素容易造成哪些性能缺陷？ 钢中溶解的氢会导致氢脆，白点和氢致延迟断裂等缺陷 一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，突然断裂。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷，即白点，白点使钢材的冲击韧性降低得很多。在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。 4、魏氏组织对钢有哪些危害作用？ （1）.在最终热处理会有增大变形的倾向；（2）.使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面,使金属的韧性急剧下降,屈服强度当然也会降低。 5、钢中夹杂物会降低钢的哪些性能？ 钢中夹杂物包括C、Si、Mn、S、P、N、H、O等 C：随着钢中碳含量的增加，碳钢硬度上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内随着碳含量增加，抗拉强度不断提高。超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。 Si：硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。 Mn：锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。 S:产生热脆
金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝ Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y
（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC/Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs)不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为： J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。
五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与