方鉆桿用鋼綜合機械性能分析

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摘要：對方鉆桿用鋼進行了比較全面的分析，選擇合適的鋼種，淬透性強，高強度和高韌性得到了充分的結合，提高了方鉆桿的綜合機械性能。用方鉆桿在復雜的條件下進行石油、天然氣、煤層氣、頁巖氣勘探工作，鋼材的材質關乎方鉆桿的使用壽命，因此，需要對方鉆桿用鋼的機械性能進行綜合性的研究，有效提高方鉆桿整體的可靠性。

關鍵詞：方鉆桿；綜合機械性能；淬透性；可靠性

在石油、天然氣、煤層氣、頁巖氣鉆探工作開展的過程當中，方鉆桿位于旋轉鉆柱的最上端，起到提升鉆具的作用。在工作過程中，方鉆桿不僅要承受扭轉力矩，還要承受整體的拉伸和相應的疲勞載荷，因此，為了提升鉆井效率，需要提升方鉆桿用鋼的綜合性機械性能，通過對方鉆桿用鋼進行研究與分析，選擇出機械性能較好且符合工作現(xiàn)有技術的方鉆桿用鋼。多數企業(yè)采用優(yōu)質合金結構鋼40CrMnMo（等同AISI4140H）、45CrMnMo（等同AISI4145H）制造方鉆桿。

1方鉆桿簡介

方鉆桿處于鉆柱的最上端，有四方和六方兩種類型，上接頭、管體、下接頭三個部分共同組成了方鉆桿。管體的組成部分分為四方和六方兩種類型結構，在實際鉆井工作當中，大多數應用的是四方結構，上接頭為左旋母螺紋，和水龍頭進行連接，在旋轉的整個過程當中，左旋母螺紋防止倒扣，下接頭是右旋公螺紋，直接和鉆桿進行連接。在施工整個過程當中，方鉆桿的上端要始終位于轉盤面的上部分，而方鉆桿的下部則位于轉盤面以下。

2方鉆桿旋塞閥研究分析

方鉆桿旋塞閥分為上部方鉆桿旋塞閥和下部方鉆桿旋塞閥，作用都是關閉、封住鉆柱內的壓力，是方鉆桿的關鍵配件。

2.1沖蝕磨損

在發(fā)生井噴的過程當中，鉆桿內部的整體流速會有大幅度的增加，對于整個設備的磨損率也會更加高，在這種情況下就會引起整個表面積的損傷，以至于出現(xiàn)裂紋，最終會導致整個裝置斷裂。泥漿在對整個閥體進行沖擊的過程當中，不同的沖擊角度會造成不同的劃傷痕跡。泥漿顆粒成分及大小也會影響沖蝕磨損。沖蝕磨損的整體過程當中，不同的磨損會具有一定的區(qū)域，硬磨料磨損區(qū)域以及整體的磨損率都會根據機械運轉的整體情況發(fā)生一定的變化，泥漿固液雙相流的沖蝕磨損程度也會因此變化。

2.2腐蝕磨損

CO腐蝕。在腐蝕的所有情況當中，CO腐蝕有比較明顯的一個特征，即局部會出現(xiàn)一點一點的腐蝕，內部的結構逐漸就會受到影響，最后旋塞閥本體以及閥芯上也會出現(xiàn)腐蝕問題。H2S腐蝕。該腐蝕主要是因為受到了硫酸鹽層的入侵，硫酸鹽會對地層的裂縫造成影響，使得一些比較難溶解的硫化物進入到機械設備的內部。當溫度升高時，化學反應的速度會逐漸加快，從而也會加快腐蝕的速度，在這個過程當中氧的溶解度也會降低，在一定程度上又會降低腐蝕速度。H2S/CO共同腐蝕的影響。如果機械設備的運行環(huán)境存在H2S/CO，這兩種因素共同影響下，腐蝕面積會增長得比較快，兩者會加劇腐蝕反應，使得整體運行受到較大的影響，不利于方鉆桿用鋼等關鍵設備的運行。

3方鉆桿用鋼分析應注意的事項

傳動角不能進行焊接。方鉆桿的傳動角不宜應用焊接的方法進行修復，如果在合金鋼上進行焊接工作，勢必會影響到材料整體性能的熱影響區(qū)。當方鉆桿處于彎曲狀態(tài)時，傳動的整體部分當中，方鉆桿傳動角承受著最大應力，在這種情況下，熱影響區(qū)產生疲勞裂縫的概率是非常大的。除此之外，對修復焊條的拉伸強度要求比較多，硬度低的材料磨損速度要比硬度高的材料快，在修復的過程當中，不僅要考慮到疲勞裂縫的產生概率，還要對修復的整體費用進行相應的討論。設置保護短節(jié)。在多次上鉆桿和卸鉆桿的過程當中，為了使方鉆桿下接頭的螺紋不會受到嚴重的磨損，需要配備保護短節(jié)。如果沒有保護管就不能直接運送方鉆桿，拖車在運送方鉆桿的過程當中，保護管會對方鉆桿起到明顯的保護作用，也會增加方鉆桿的支撐能力。對傳動表面進行潤滑。通過對方鉆桿傳動表面進行潤滑，可以有效降低方鉆桿通過減低滾子時的摩擦力和粘接力，保障方鉆桿可以通過滾子補心。禁止使用扭曲的方鉆桿。如果方鉆桿出現(xiàn)了扭結以及不同程度的彎曲，在投入到使用的過程當中，會加快方鉆桿和傳動滾子的磨損，提高方鉆桿和鉆桿疲勞的概率。定期對方鉆桿進行檢查。定期對方鉆桿磨損外形整體的變化進行有效的檢查，檢查螺紋和傳動平面與加厚端之間倒角傳動角中的疲勞損傷，通過定期的檢查可以延長方鉆桿的使用壽命。

4合金元素對淬透性及綜合機械性能的影響

合金元素對于中碳低合金鋼的影響主要表現(xiàn)在固溶強化、增加淬透性、提高回火整體的穩(wěn)定性，對機械的性能起到了改善的作用。在固溶強化作用中，碳能夠起到有效的作用，合金元素在其中只起次要作用，在各種試驗鋼的過程當中，含碳量越高，固溶強化整體的效果就越好。C、Cr、Mn、Mo含量越高，淬透性的效果越好，在采取熱處理工藝淬火之后，在較大的截面當中會獲得馬氏體組織，經過高溫回火之后，就可以得到比較好的綜合機械性能。鋼會受到合金化以及淬透性的限制，在經過正常的工藝淬火之后，在大截面的試件中心組織當中會存在著比較多的非馬氏體分解產物，在這種情況下，調質處理要達到高強度與高韌性相結合的綜合機械性能就比較困難。為了改善方鉆桿用鋼的綜合機械性能，需要對材料中所具有的Mn含量進行分析，Mn的結構比較復雜，其中具有點陣結構，和其他的元素相比，Mn在鋼中可以起到高強度和高韌性的雙重作用。Mn通過細化晶粒之后，可以對晶體之間的碳化物的析出和分布進行有效的調整，在一定程度上可以提高材質的整體性能。在鋼中增加Mn可以有效提高材質的整體韌性，降低缺口的整體敏感度，缺口的尖端處于一定的約束條件時，可以對其應力集中進行有效的改善。隨著整體結構的強度和塑韌性得到了有效的提升，相關構件的扭轉性能也能夠得到有效的提升，能夠改善方鉆桿受力復雜、應力集中的工件問題，對于方鉆桿用鋼綜合機械性能整體的提升具有積極的作用。

5回火溫度及金相組織對性能的影響

方鉆桿用鋼的綜合的機械性能不僅會受到鋼種的淬透性影響，還和熱處理的工藝參數有著密切的關系。不同的工藝參數，尤其是回火溫度，對于鋼的組織轉變和整體的鋼性能都具有很大的影響。當回火的溫度處于比較低的范圍時，材料整體的強度和硬度指標都是比較高的，但是韌性比較低；當回火的溫度比較高時，整體構件的韌性也比較高，但是整體的強度水平比較低。只有選擇一個比較適合的回火溫度范圍（600～630℃），材料的強度、韌性、塑性才能夠得到有效的提升。通過金相分析，可以發(fā)現(xiàn)試件的組織基本是單一的回火索氏體，而鋼的心部組織除了有回火索氏體，還會有少量的上貝氏體。方鉆桿用鋼的綜合機械性能有所降低，是因為非馬氏體分解產物的存在，合金結構鋼淬火之后回火，隨著回火的溫度不斷地提高，組織內部會逐漸地進行碳化物沉淀，結構當中殘余的奧氏體會分解，馬氏體結構會進行恢復和再結晶。

6棒材和管材的無損檢測

所有方鉆桿用鋼的棒材和管材都應該進行表面裂紋和內部缺陷的檢測，如果外表面已加工，不要求進行表面缺陷的檢測，無損檢測應在所有熱處理完成后進行。制造商應對無損檢測人員資格認證的程序管理負責，無損檢測應該由具備二級或三級證書的檢測人員實施。每根標準鋼的棒材和管材都應該進行外表面缺陷的檢測，優(yōu)先使用超聲檢測或者是磁粉檢測。每根管材的內表面應采用超聲波斜束檢測，該要求僅適用于熱處理前為管狀的材料，熱處理時為實心的棒材和熱處理后鉆孔的材料不作為管材檢測。如果采用超聲檢測外表面或內表面，每根棒材和管材應進行全長度、360°搭接掃描檢測表面缺陷；如果采用磁粉檢測標準鋼外表面，每根棒材和管材均應采用干磁粉和濕磁粉的方法進行全長度縱向缺陷的檢測。

7結束語

通過對方鉆桿用鋼進行綜合性的機械性能研究，能夠進一步對方鉆桿用鋼進行比較全面的了解，有效提高方鉆桿整體的可靠性。通過對相關的因素進行合理的控制，能夠有效延長方鉆桿的使用壽命。

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作者：牛戰(zhàn)波 單位：河南神龍石油鉆具有限公司