分享：连续油管配套42CrMo钢挠性连接器断裂原因

连续油管具有作业多样性、快捷性和可靠性等优点,被称作“万能作业机”,广泛应用于油田修井、钻井、完井、测井等作业中。挠性连接器是连续油管之间及连续油管与井下作业工具之间的重要连接工具,在作业中承受反复弯曲载荷以及拉、压、扭、弯等复合载荷的作用[1]。挠性连接器产品质量对油气田勘探开发过程中各环节的作业人员安全具有重要影响。某公司提供了一批用于连接连续油管的挠性连接器,在下井使用前随机抽样模拟使用检验,试样经历几次低周疲劳循环就出现断裂漏水观象。经查验,挠性连接器材料为强度、塑性及韧性等力学性能较好的42CrMo钢,制造工艺流程为：热轧无缝管坯→普车→调质处理→数控精车。笔者采用一系列理化检验方法对挠性连接器断裂的原因进行分析,并提出结构设计、热处理及车削加工工艺参数的优化方法,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂挠性连续油管的宏观形貌如图1所示。由图1可知：该挠性连接器开裂口位于左侧高低台阶的过渡圆弧根部,断口外边缘较为平齐,挠性连接器上可见明显的车削加工刀痕,未开裂高低台阶的过渡圆弧半径较小,近似直角过渡。 

图  1  开裂挠性连续油管的宏观形貌

将挠性连接器沿裂口张开方向折断,截取环形试样,试样端面断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口属于典型的双向弯曲疲劳断口,断口左右两侧可以清楚看到疲劳源区和疲劳扩展区,未见明显瞬断区[2]。 

图  2  挠性连接器端面断口的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断口附近截取试样,采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：挠性连接器的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求。 

1.3   扫描电镜(SEM)分析

将环形试样端面断口进行超声波清洗,然后置于SEM下观察,结果如图3所示。由图3可知：断口从外表面沿壁厚方向存在数条疲劳辉纹,且疲劳辉纹间距较大；断口外边缘起裂区存在挤压损伤痕迹,断口外边缘相邻车削区（过渡圆角处）的车削刀痕深浅不一,且存在明显的刮擦痕迹和形状不一的微孔洞；裂纹扩展区分布着大小不一、带挤压痕迹的韧窝[3-5]。 

图  3  断口处SEM形貌

1.4   金相检验

在挠性连接器壁厚较厚的另一半断口附近截取金相试样,将试样磨制、抛光、腐蚀后置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：试样表层与心部的显微组织无明显差异,均为回火索氏体＋少量铁素体[6],为正常调质态组织,满足零件技术要求。 

图  4  断口处显微组织形貌

1.5   硬度测试

在断口附近壁厚较厚的环形试样上取样,将其磨制、抛光后,按照GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》对试样进行硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：挠性连接器内外表面的硬度均高于心部,测试结果范围波动较大,比连续油管母材硬度217 HB高出26 HB,两者力学性能存在差异,在测试过程中,零件受到反复弯曲作用力,内外表面加工硬化程度较心部大。 

2.   综合分析

连续油管与挠性连接器要经历数次弯曲-拉直循环变形,挠性连接器承受往复低周疲劳载荷及复杂交变载荷。挠性连接器断口处的高低台阶过渡圆角半径仅为1.0 mm,近似直角,在承受载荷时会产生应力集中,形成微裂纹,微裂纹在低周疲劳载荷、交变载荷的作用下进一步扩展,最终导致连接器断裂。 

由SEM分析结果可知,断口外边缘过渡圆角处车削刀痕沟槽深浅不一,存在多条连续带状刮痕,原因是车削过程中切削参数设置不合理,导致切屑排出不畅、刀具磨损严重、机床受到振动,进而造成零件表面损伤。同时,过渡圆角及壁厚方向上存在形状不一的微孔洞,破坏了挠性连接器表面的连续性,在承受载荷时产生应力集中,车削沟槽和微孔洞处产生微裂纹,严重缩短了零件的疲劳寿命[7-8]。 

由硬度测试结果可知,挠性连接器母材硬度明显高于与之相连的连续油管母材硬度。硬度与强度呈正相关关系,与塑性呈负相关关系,说明挠性连接器的强度高于连续油管,塑性低于连续油管,两者之间的强度、塑性匹配性较差。挠性连接器热处理工艺参数设计不合理,导致其硬度偏高,塑性变形能力较小,促使疲劳裂纹快速扩展。 

3.   结论及建议

该挠性连接器发生低周疲劳断裂的原因为：挠性连接器的高低台阶过渡圆角半径较小,车削加工时刀具振动及切屑排出不畅,产生了深浅不一的切削沟槽及表面损伤,且母材内部及切削表面存在形状不一的孔洞,使材料产生应力集中,并萌生微裂纹；挠性连接器热处理工艺参数设计不合理,导致其硬度偏高,塑性变形能力较小,促进了疲劳裂纹快速扩展,在低周疲劳载荷及交变载荷的作用下,挠性连接器最终发生断裂。 

建议提高42CrMo钢母材调质过程中的回火温度,以降低其硬度,使挠性连接器的硬度与连续油管的硬度接近,提高两者的力学性能匹配性,进而提高两者在弯曲变形过程中的塑性变形协调性。

文章来源——材料与测试网