工程用钻杆螺纹断裂失效研究
关于R780钻杆断裂问题的分析研究
关于R780钻杆断裂问题的分析研究【摘要】本文主要研究定向钻机以及其钻杆断处的细节表象，对其展开细致的总体观察、机械能动性测试以及物理或者化学成分测定等。
在测试结束后研究其结果并进行总结后可知，R780钻杆断裂的主要原因为施工中受到扭转力过大从而致使其钻杆金属疲劳，进而断裂；而R780钻杆上出现裂缝的主要原因为该钻杆受力过大，同时制作钻杆的原材料的强度稍有不足。
【关键词】钻杆断裂；扭转应力；探究分析对于定向钻机而言，由于其采用非开挖技术，因此对城市的道路不会产生较大的损害，又因其工作效率较高、工作成本相对低廉，该定向钻机的用途非常广泛，例如城市供水系统建设、城市热能供应、城市天然气供应、挖掘安置石油管道和电力通讯设备的架设等方面。
然而由于地形、环境等方面的影响，定向钻机的钻杆很容易出现裂纹甚至断裂。
本文主要研究R780钻杆的断裂问题，通过从施工现场取样的断裂钻杆为例，以显微测定、钻杆原材料以及钻杆断裂面的成像等方式为主要检测手段，从根本上研究该钻杆的开裂原因。
一、对钻杆的理化测试（一）总体测定将于施工现场所取得的R780钻杆进行实验室测定可知其相关属性如下：钻杆的长度为300mm，其表面稍有生锈，其中断裂处外可见60mm左右的横向裂纹，如图1所示。
从该图中可知，钻杆壁的厚度正常，细致观察管壁内部可知，该断面与钻杆的轴线出现了倾斜，倾斜角度约为45°，该倾斜使得断裂部位出现双平台现象，断裂处氧化严重，但是通过技术检测，该部位依然显露出断裂纹，纹路较为清楚且指向均匀。
因此可知，该处是钻杆的断裂源头，其大小约为整个断裂口的30%。
（二）对钻杆进行成分测定以及机械测试机械测定主要是从钻杆的中部取样分析，分析所用的主要仪器如下。
（1）对样本进行化学分析的仪器为QFN750光谱仪；（2）对样本进行拉伸强度测试以GB/T228相关标准为理论基础，采用CMT系列微型测试仪；（3）以GBT229为主要测试标准，采用NCSI智能冲击实验仪器对样本的冲击性进行试验。
某51／2FH双台肩钻杆内螺纹接头断裂原因分析
Ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｃａ ｕ ｓ ｅ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ ５— — １ ／ ２ Ｆ Ｈ Ｂｏ ｘ Ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｄｒ ｉ ｌ ｌ Ｐ ｉ ｐ ｅ
ＺＨ ＡＮＧ Ｘｉ ｎ ｓ ｈｅ ｎｇ Ｌ Ｉ Ｕ Ｚｈａ ｎ ｙ ｅ
使用 时发生断裂 。
间以后重新对焊 了新钻 杆接头 ， 断裂的 即为新换钻 杆接 头， 扣型为双 台肩 ５ １ ／ ２ Ｆ Ｈ 。
钻井液 中含砂量 ０ ． １ ５ ％， ｐ Ｈ值为 １ ０ ， 钻井参数 如表
１ 所示 。 表 １ 钻进参数
据送样者所提供现 场资料显示 ， 此钻杆 内螺 纹接头 断裂事故经过如下 ： ２ ０ １ ０年 １月 ２ １日早 上 ６ ： ３ ０ ， 在下套 管 到底后 ， 上提距离井底 ２ ． ７ ｍ循 环 ， 上提最 大钩载 １ ５ ５ 吨， 提到 ３ ３ ３ ５ ｍ静 止进行 循环 ， 泵冲为 ４ ０冲／ 分， 泵压
・
５ ０・
石油 管材 与仪 器 Ｐ Ｅ Ｔ ＲＯ Ｌ Ｅ Ｕ Ｍ Ｔ Ｕ Ｂ ＵＬ Ａ Ｒ Ｇｏｏ ＤＳ＆ Ｉ Ｎ Ｓ Ｔ Ｒ Ｕ ＭＥ ＮＴ Ｓ
２ ０ １ ５年 ４月
・
失效分 析及 预 防 ・
某５ １ ／ ２ Ｆ Ｈ双 台 肩钻 杆 内螺 纹 接 头 断 裂 原 因分 析
ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ， ｔ ｈ ｅ ｎ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｗ ａ ｓ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｄ ｉ ｆ ｒ ｓ ｌ ｔ ｙ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｒ ｏ ｏ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｐ ｉ ｐ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｅ ｄ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ， ａ ｌ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ａ ｄ ｔ ｏ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ．
螺杆钻具失效原因分析与技术对策探讨
- 57 -第11期螺杆钻具失效原因分析与技术对策探讨陈石（大庆钻探工程公司钻井一公司， 黑龙江 大庆 163411）[摘 要] 近年来螺杆钻具在定向井和水平井钻井施工中应用的数量逐渐增多，由于受到多种因素的影响，经常出现螺杆钻具失效的情况，严重影响了石油钻井的施工效率。
本文对近几年螺杆钻具的失效情况进行了统计，从中分析螺杆钻具失效的原因，并制定相应的技术对策，减少了螺杆钻具的失效频率，对提高石油钻井生产效率具有积极作用。
[关键词] 石油钻井；螺杆钻具；失效原因；技术对策作者简介：陈石（1983—），男，黑龙江双鸭山人，大学本科学历，工程师。
在大庆钻探工程公司钻井一公司从事钻井工作。
随着石油钻井中的定向井、水平井钻井技术的进步与发展，螺杆钻具的使用越来越广泛，已经不再局限于直井复合钻井提速，而在定向井、水平井的造斜段和稳斜段使用中均发挥着重要的作用。
但由于螺杆钻具发生失效致使部分定向井、水平井的施工效率低下，因此需要对定向井、水平井施工中螺杆钻具失效原因进行分析，并制定对策。
1 螺杆钻具失效调查分析螺杆钻具在定向井、水平井的使用中失效情况时有发生，笔者统计了某钻井公司2015年以来的所有螺杆钻具失效案例，并对这些螺杆钻具失效案例的失效原因进行分门别类的统计分析后发现，螺杆钻具在定向井、水平井钻井施工中失效形式主要分为以下几种：一是传动轴不能转动、卡死；二是马达定子发生脱胶；三是螺杆钻具最顶端的旁通阀刺漏；四是传动轴发生断裂；五是螺杆钻具本体发生倒扣。
这些不同种类的螺杆钻具失效案例的发生不仅影响了定向井、水平井的钻井施工效率，而且大大增加了钻井成本。
2 螺杆钻具使用中失效原因分析2.1 传动轴不能转动、卡死原因分析通过拆卸失效的螺杆钻具发现，传动轴不能正常转动，最终导致传动轴卡死的直接原因是在传动轴总成的最顶端部位堆积了大量的钻井时产生的岩屑，岩屑的由来一是使用的钻井液性能未能达到施工要求，含砂量高，在停泵接单根过程中由于钻井液的悬浮能力差，导致钻井液中大量的岩屑下沉到传动轴的顶部；另一原因是在下钻过程中片面追求下放速度，导致钻井液中的泥沙倒灌入螺杆钻具的马达中，开泵后大量泥沙集聚堆积到传动轴顶部致使传动轴卡死。
_127mmS135钻杆接头外螺纹断裂失效分析
失效钻杆接头 的冲击 功和硬度符合 SY /T S29 " 一
2010 年第 3 期
西部探矿工程 流预防钻具事故好的经验和做法 , 特别要做好钻具使用 中后期的腐蚀应力疲劳失效的预防工作 "
参考文献 :
+ 10 1. 11
+ 10 1. 85 + 10 2. 51
50 85
50 95
貌 " 在接头瞬断区可见明显 的剪切唇形貌 " 从宏观形 貌分析判断 , 裂纹起源于接头密封 台肩面根部外表 面 , 由外 向内扩展 , 最终导致接头发生断裂失效 "
2.2 微观 断 口分析
口井 , 在挂曰177.st m 尾管时发生一起必 127m m S135 n 斜台肩内涂层钻杆接头外螺纹断裂 "该井为一 口直井 , 发生事故是实钻井深 6262.o o m " 必 17 7 .sm m 尾管下 深 6259. 28m , 球 座 位 置 6202. 64m , 悬 挂 器 位 置
钻柱是快速优质钻井的重要工具和手段 , 是联通地
承受复杂的应力载荷 , 接头密封 台肩面根部是应力集中 部位 , 同时也是易产生加工缺陷的部位 , 是钻杆接头事 故的多发处 , 裂纹易在此处萌生 "
3 .2 此次 断裂 事故 的结论
面与井下的枢纽 " 在转盘钻井 时依靠 它来传递破碎岩 石所需的能量 , 给井底施加钻压 , 以及 向井 内输送钻井 液等 "在井下动力钻井时 , 井底动力机是用钻柱送到井 底 , 同时动力钻具所需 的液体能量也是通过钻柱输送到 井底的 "在钻井过程中 , 钻头的工作 , 井眼的状况 , 甚至 地层的各种变化 , 往往是通过钻柱及各种仪表才能反映 到地面上来 "合理的钻井参数和其他的技术措施 , 也只 能在正确使用钻柱的条件下才能实现 "
Ф127mmS135钻杆接头外螺纹断裂失效分析
此 次外螺 纹断裂 的钻 杆为 中石化 ２０ ０６年集 中采 购
的 １ ７ ２ ｍｍ９ １ Ｓ ３ ． ９ １ ５斜 台肩 内涂 层钻 杆 ， 外螺 纹 接 内、
头体 各加 长 ５．ｍｍ， ０８ 外螺 纹 接头水 眼 为 ８． ｍｍ。 ２６ 该批钻 杆共 到货 ６０根 ，０ ７年 到货 后 ， 具 公 司 ２ ２０ 管 按标 准对该批 钻杆 进行 了抽 检 ， 检结果 符合 相关 的标 抽
准要 求 。
２０ ０８年 ７月配 套 井 队使 用 ， 生 断 裂 时 为 该 批 钻 发 杆承钻 的第一 口井 。
２ 断 裂失效 分析 ２ １ 宏 观断 口分析 ．
断裂失 效 钻杆断 裂 位 置为 钻 杆 接 头外 螺 纹 台肩 面 根部 。 观察钻 杆接 头断 口形貌 可 以看 出 ， 口表面 存在多 断 个裂 纹源 区 ， 主裂 纹源 区及大 部分 扩展 区受 到严重 的钻
图 １ 断 口表面能谱分析
２ ３ 金 相组织 分析 ．
井液冲蚀 ， 已无法观察到原始形貌 ， 但后期产生的裂纹 及扩 展 区形 貌清 晰可见 ， 这些 裂纹 源 区都紧靠 接头 密封
在 失效 钻杆 接头 的断 口附近 取 样 进行 金 相 组 织 分 析 ， 析结果 见 表 １ 示 。断 口附近 组织 与基体 组织基 分 所
２ ４ 下 降 至 １ ８ 后 反 弹 回 ２ ６ ， 断 未 坐 挂 。 上 提 １ｔ ７ｔ ０ ｔ判 １ ５ ． ｍ 过 程 中 ， 重上 升 至 ２ ２ ， ． ～２ ０ 悬 １ ｔ 钻具 震 动 ， 重 悬
下降 至 １４， ０ ｔ判断 钻杆 断裂 。２ ５日起 钻 完 ， 现 钻杆 外 发 螺纹根 部断裂 ， 鱼顶 ２ １ ． ３ ９ ５ １ ｍ。
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究[摘要]钻杆失效表现在三个方面：本体断裂、刺漏、钻杆螺纹处失效。
本文将分析并探讨钻杆及其接头的早期失效类型、失效形式、失效原因，并且根据分析原因去寻找应对的方法以及预防的办法。
通过设计优化的钻杆结构，提升钻杆质量，使钻杆失效事故发生的概率下降。
[关键词]分析原因钻杆失效优化设计预防措施钻具0前言失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动，是一种科学的分析方法。
本文将对钻杆失效进行分析。
钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。
而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起，钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失，并且常常影响到工程的进度，后果十分严重。
失败乃是成功之母，通过研究钻杆失效，推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理，尽量避免失效事故。
1失效类型分析在钻进过程中的受力繁杂，不仅仅是拉力，还有各种应力，因此失效的种类十分复杂，环境也很苛刻，井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体，而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。
钻杆失效的类型种类繁多，主要可以概括为三大类型：断裂失效或者是刺穿失效；表面受损以及过量变形。
断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见，疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。
而腐蚀也极易造成表面受损，机器磨损也是表面受损。
当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是，则会引起过量变形[1]。
1.1断裂失效①过载断裂：如“鳖钻时的钻柱体断裂”，“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。
②氢脆断裂：金属中的氢含量过多时，材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。
很多人不知道，由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
③应力腐蚀断裂：如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”，“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。
④低应力脆断：此类失效在钻杆失效中占了很大的比例，是最危险的断裂方式之一。
钻杆管体横向开裂失效原因分析与预防
钻杆管体横向开裂失效原因分析与预防摘要：经济和科技不断的发展，使得钻井技术水平不断提升，本文就对发生横向开裂的失效钻杆进行断口形貌的宏观及微观观察、金相分析、物相分析，以及对钻杆尺寸、化学成分及力学性能的综合分析，并结合钻杆的受力状态，指出钻杆的失效原因是钻井液中的氧气对钻杆的内外表面产生严重腐蚀。
并提出了预防措施及建议。
关键词：钻杆；腐蚀；交变载荷；横向开裂；失效分析引言钻杆作为钻柱系统的重要组成部分，是影响钻井安全和钻进效率的关键部件，由于钻杆在使用过程中承受拉压弯扭等复杂交变载荷的作用，同时还受环境介质的影响，钻杆的主要失效有管体刺穿和断裂、接头螺纹黏扣、刺漏和断裂等形式。
一旦发生钻杆失效，尤其是断裂，极易引发严重的钻井事故，造成重大经济损失。
所以针对钻杆失效形式进行原因分析并采取措施避免，具有重要意义。
1实例某钻井公司在吉林省白山市进行地热井施工。
该区域为中朝准台地北缘东段，处于浑江凹陷、褶皱断层带上，为单斜构造。
地层总体走向北东45°，倾向东南，倾角在30～40°。
地热井主要钻遇地层为：0～10m，新生界第四系，岩性为砂层、砾石层黏土层；10～695.5m，中生界侏罗－白垩系，岩性为黄绿色、粉色砂岩，夹泥岩；695.50～1930m，元古界震旦系桥头组、万隆组和八道江组，岩性为灰岩、板状粉砂岩、石英砂岩。
地热井设计井深2500m，施工目的层为1200～2500m的含水层段。
施工使用钻机为石油30。
事故发生时井深1320m，距井底135～140m的一支Φ127mm×9.19mm，G105钢级钻杆，提钻时发现管体有横向裂纹，尚未造成刺漏和折断，钻杆管体材质为26CrMo4s/2钢，钻杆开裂部位距内螺纹接头端面2.5m处。
钻具配置为Φ215.9mm镶齿牙轮钻头+Φ178mm钻铤4支+Φ165mm钻铤8支+Φ127mm钻杆，钻进过程中泵压4.5MPa，钻压2～3t，钻井液pH=7。
螺杆钻具主轴的断裂失效分析（5）
螺杆钻具主轴的断裂失效分析1王炳英，薄国公中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营（257061)E-mail ：*****************摘要:对失效螺杆钻具主轴进行了理化检验、力学分析，通过金相组织观察、扫描电镜（SEM）测试等实验手段，结合钻杆的受力状态分析,推断出主轴的主要断裂原因是由于服役条件时复杂的受力状态以及钻井液腐蚀综合作用,最终导致钻杆腐蚀疲劳断裂。
关键词:螺杆钻具；交变载荷；腐蚀疲劳中图分类号：螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下动力钻具，对传递动力和输送泥浆有着重要作用。
钻具主轴在服役过程中承受着复杂交变载荷的作用，要求钻具有很好的抗弯和抗冲击等力学性能及较高的表面质量[1-3]。
一般主轴的工作时间达到100小时以上被认为合格，但由于马达输出功率不均匀、地下地况复杂，受力不均匀等原因，造成很多主轴工作40-50小时便发生断裂，给钻井公司造成较大的经济损失。
要保证整个钻柱系统的结构完整性和密封完整性，确保钻井生产的正常运行，减小井下事故的发生，有必要对钻杆的失效进行研究。
1．理化检验结果1.1宏观形貌检查失效主轴的位置位于主轴的顶端，此处截面积较小，断口整体平整，有明显的起裂点，失效轴端的一部分平整光亮，另一半则存在大量的沟纹。
宏观断口明显观察到疲劳源区和宏观疲劳条纹。
对断口截面形貌进行观察，发现其具有灰亮色金属光泽，没有明显宏观塑性变形。
1本课题得到山东省自然科学基金资助（项目编号：Y2008F38）的资助。
图1钻具主轴失效部位的宏观形貌Fig.1Macrograph of the failure part of the drilling tool spindle1.2化学成分分析在失效部位取样进行化学成分分析，结果（质量分数）见表1。
从表1可见，主轴为材料36CrNiMo4，符合GB3077－1999[4]标准中材料的技术要求。
表1钻具主轴的化学成分Tab.1Chemical composition of the drilling tool spindle项目C Si Mn P S Cr Mo Ni 牌号主轴0.350.40.60.0350.03 1.00.2 1.036CrNiMo4GB3077-19990.32-0.40.40.5-0.80.0350.030.9-1.20.15-0.30.9-1.236CrNiMo41.3金相分析在失效主轴断口端面沿轴向取样，制作金相试样，观察显微组织，金相分析结果表明，断口附近显微组织和基体组织相同，为回火索氏体，晶粒度为8级，夹杂物如图2所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ｚ，膨ｅｄ“，以ｅｒ ０ｃｔｕ以埘Ｄ庙如础．胃缸ｅｄ ｏ儿ｎ，ｌ眈眈ｍｅｍ肘ｅ￡危Ｄｄ，ｆｋ ｃＤｎ６∞￡疗ｎ娩ｅ如，聊眦，∞ｄｅＺ ｏ厂ｄｒ珊ｉ粥
ｐ咖ｅ ｔＩＩｌｒｅ以＾璐６ｅｅｎ ｅｓｔａ６倦ｋ正而ｒ中４２ ｄ棚ｐ咖ｅ，琥ｅ ｓｆｒｅ耐括虢奶就正Ａ如。加幻ｇ呷Ｉｌｌ记肌ｄ砒碰一 如卿＾如ｅ翮ｉ，刎幻ｎ，ｃＤ，，妒ｏ，暑ｅ，啪，ｒ圮仍ｕｒｅ，，ｌｅｍ∞以，ｉ掰西圮ｓｓ，，ｌｅ∞Ｍｒｅ，，ｌｅｍ＾伽ｅ ６ｅｅ，ｌ ｃ∞７诒ｄ ｏ以ｏｎ￡７ｌｅ 帆咖括旷砒扰耽昭ｐ咖ｅ啦ｒｅ以孤ｅ陀ｓｕ凰ｓ危伽ｔ砌矗妣ｒ￡＾ｒｅｎｄ ｓ￡陀ｓｓ埘耐ｉ瑚￡玉以渺讯冼ｅ ｋｍ
图７断件微观形貌
图８断件微观腐蚀坑
安全系数为１．３２，仍然偏低。 ４．４失效原因分析
通过对钻杆螺纹进行强度分析和材质分析，找出钻杆螺纹失 效原因如下。 ４．４．１应力集中
根据钻杆接头螺纹原始模型有限元分析结果表明，在公扣第 一螺纹牙处根部受到严重的应力集中，极容易引起疲劳破坏。 ４．４．２热处理工艺不稳定
１５２ 文章编号：１００ｌ一３９９７（２００９）１２．０１５２－０３
机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅ《ｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第１２期 ２００９年１２月
工程用钻杆螺纹断裂失效研究
管朝晖杨斌 （重庆钢铁股份有限公司，重庆４０００８２） Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆａｊＩｕｒｅ ａｎａＩｙｓｉｓ ０ｆ ｔｈｅ ｄｒｉ¨ｉｎｇ ｐｉｐｅ ｔｈｒｅａｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉｎｇ
２石晓兵，施太和．一种新璋！钻柱稳定器连接螺纹减应力区的研究［Ｊ］．天然 气工业，２００２，２２（２）：４８巧Ｏ
３司万春。周瑞强等塔里木盘地中４井钻具损伤分析［Ｊ］．石油钻探技术， ２００５．３３（６）：啦ｌｌ
万方数据
工程用钻杆螺纹断裂失效研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
规定，硬度ＨＢ２４ｌ（ＨＲｃ２４．５）的换算抗拉强度诉约为８３０ＭＰａ， ＨＢ２８６（ＨＲｃ３０－５）的换算抗拉强度巩约为９５５ＭＰａ。前述有限元 分析得出的最大等效应力为７８６．３ＭＰａ，分布在公、母螺纹的第一 牙处。因此，按图纸的性能要求，钻杆的安全系数仅为１．０豇１．２２， 其强度储备是很低的。硬度为ＨＲｃ３３时，抗拉强度为１０３５ＭＰａ，
管朝晖， 杨斌， GUAN Zhao-hui， YANG Bin 重庆钢铁股份有限公司,重庆,400082
机械设计与制造 MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 2009(12)
参考文献(3条)
1.司万春;周瑞强 塔里木盘地中4井钻具损伤分析[期刊论文]-石油钻探技术 2005(06) 2.石晓兵;施太和 一种新型钻柱稳定器连接螺纹减应力区的研究[期刊论文]-天然气工业 2002(02) 3.梁广华 鄂北塔巴庙工区钻具失效原因分析与对策[期刊论文]-探矿工程-岩土钻掘工程 2004(01)
算而言，钻杆接头螺纹处（第一螺纹处）应力值偏大，钻杆接头螺
纹强度明显不足。根据上述分析可以看出，钻杆接头螺纹应力值
偏高，接头螺纹强度偏低，是导致钻杆接头断裂的原因之一。
４钻杆螺纹材质分析
～
钻杆的断裂现象始终是与材料和结构的孔洞、缺口或裂纹相
联系的。 ４．１断口分析
现场取断裂钻杆试样，断裂位置距离该钻杆公接头３０ｎｌｍ，
万方数据
第１２期
管朝晖等：工程用钻杆螺纹断裂失效研究
１５３
６５ｍｍ，最大轴向载荷５０ＫＮ，最大扭矩７５０Ｎ·ｍ；最大钻进深度
１５０ｍｏ首先对钻杆进行扭矩轴向力的转换，计算公式如下：
拈睾ｄｔａｌｌ（妒±风）
（１）
二
其中，拧紧情况为“＋”，松开为“一”
式中：摩砂擦—角螺，纹有升ｔａ角觋，鼍且厂，有ｃｔｏａ邮啦艚＝删擦鹏系；数ｎ；—ｐ螺—纹牙线型数斜；角Ｂ；一ｒ当—量扭
ａｋ＝劲＾肛丌拍２
（４）
靠印，后霄ｃ蹈
（５）
式中：ｐ—最大轴向力（Ｎ）；Ｊｌ—螺纹牙的工作高度（ｍｍ）；｜｜｝—载荷
不均匀系数；扣＿夕ｈ螺纹内径（ｎ蚰）；６—螺纹牙根宽度（蛐）。
由第四强度理论可计算出螺纹牙等效应力
矿’。＝、／￡＋３产
（６）
计算结果，如表２所示。
表２钻杆螺纹理论计算强度
３钻杆螺纹接触有限元模型
一牙螺纹处存在应力集中；钻杆断裂失效过程为表面缺陷——解 理断裂——裂纹疲劳扩民—＿过载断裂。研究为进一步优化钻杆 结构减少钻赶失效事故，延长钻杆使用寿命提供了重要依据，具 有重要的理论意义及工程应用价值。
参考文献
１梁广华．鄂北塔巴庙工区钻具失效原因分析与对策［Ｊ］．探矿工程，２∞４，３ｌ （１）：５啦５４
断口的宏观形貌，如图６所示。
图２ ｍ４２钻杆有限元离散模型
考虑钻杆实际受载情况，母接头约束轴向方向的位移（皓
Ｏ），其他５个自由度自由。公接头顶部施加轴向力和扭矩，注水孔 内腔施加均布水压，定义公、母螺纹接触边界条件。利用ＡＢＡＱｕｓ 计算程序对模型进行计算，得到该受力工况下的应力云图，如图 ３巧所示。具体计算结果，如表３所示。
论文在分析工程用钻杆几何结构的基础Ｅ，以ｍ４２钻杆为
研究对象，对联结螺纹副进行了理论力学分析，基于有限单元法
对其进行了强度计算，通过钻杆断口分析对钻杆接头断裂原因进
行了的分析，研究为进一步优化钻杆结构，提高钻杆使用寿命，减
少钻具失效事故提供了重要依据。 ★来稿日期：２００９－０２—１２
钻杆进给速度（Ｏ一１．５）Ｉｌｌ，ｒｎｉｎ；旋转速度＞９５如ｌｉＩＩ，终孔直径
中图分类号：ＴＨｌ６。Ｐ６３４．４文献标识码：Ａ
１引言
２钻杆螺纹结构与力学分析
工程用坑道钻机由于它重量轻，能解体，操作简单，使用可
钻进过程中，钻杆通过螺纹连接而成的细长管柱，在钻头引
靠，在各项工程中已被广泛使用。在井下施工瓦斯抽放孔、注浆灭 火孔、煤层注水孔、地质勘探孔及其它工程钻孔时，经常出现钻杆 接头断裂事故【岣。钻杆断裂不仅影响正常生产，而且还往往因难 于打捞而使事故恶化，造成人力、财力的损失。钻杆螺纹连接处与 钻杆本体相比，刚度较小，截面形状复杂，容易出现应力集中，是 钻杆的薄弱部位。
图纸要求硬度为ＨＢ２４ｌ一２８６，换算洛氏硬度约为ＨＲＣ２４．５—
接头螺纹第一螺牙处应力偏高的结论；对钻杆接头进行了断口观 察、化学成分测量、冲击韧性实验、硬度测量以及金相分析，得出 钻杆为韧性断裂，部分样品硬度波动较大，热处理工艺不稳定；从 力学和材料方面对钻杆接头断裂原因进行了分析，得出公接头第
通过钻杆的材质分析可以知道：钻杆过渡段形成一个组织不
图９断件微观裂纹
图１０断件微观韧窝及磨损
４．２金相分析
在断口处取试样进行金相观察分析发现其主要为正火态组
织。如图１１—１２所示。
稳定的高应力区。如果在组织不稳定区的表面存在缺陷，它可能 来自热处理中裂纹，也町能喷砂不均匀，成为疲劳源区。由于高应 力的作用，接着在外部循环载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，钻杆发 生过载断裂。 ４．４．３存在腐蚀
因此，有必要对钻杆的接头进行研究，以寻求和探讨解决的
途径。国内外学者对钻杆接头螺纹断裂问题已经做了大量研究，
主要采用解析法结合试验测定法对螺纹强度进行计算，但解析法
更多的时候只能对螺纹连接强度做定性的解释，且试验常常受到
图ｌ唾＇４２钻杆联结结构图
成本、试验条件等因素的制约。
表１①４２钻杆原始接头参数表（单位ｍｍｌ
根据钻杆螺纹联结结构特点采用二维轴对称单元对钻杆结 构进行有限元离散，建立有限元分析模型，如图２所示。
项目 计算结果
图５钻杆母接头等效应力
表３钻杆螺纹有限元计算结果
应力蜘≯头部位 应力翩：接头部位
７８６３
第一圈螺纹牙
７７６．４
第一圈螺纹牙
从计算结果可以看出最大等效应力７８６．３ＭＰａ，分布在公、母
螺纹的第一牙处。从表３可以看出，就钻杆接头部分强度分析计
本文链接：/Periodical_jxsjyzz200912062.aspx
重要的理论意义及工程应用价值。
关键词：钻杆接头；螺纹；强度；断裂；有限元
【Ａｂｓｔｍｃｔ】所以荫，ｅ埘＾记＾蠡ｗｅｄ讥ｔｋ ｓ卿ｉ增删比，ｒ“吮船矿ｃｏ以ｍｉ聊ｒｅｃｅ如ｅ ｓｅ移ｅ以七ｉ，庙旷
三Ｄｏｄ埘ＩＩｌ记＾ｉ，暑ｃＺｚ‘如６ｅ，以，ｔｏｒｓ幻ｎ，ｔＩ协ｒ越幻，ｌ，ｐ以帆ｄ ｐｒｅｓ豇Ａ，以ｚ＾ｅ九妒￡Ｈ化矿ｄｈ以ｐ咖ｅ妒ｅ，ｌ ｏｃｃ“倦讥
导下进入已钻孔底部进行钻进，钻杆内外环中有钻孔液流动，钻 杆与孔壁之间有环型间隙存在，钻杆接头受力情况非常复杂。螺 纹联接中各螺纹牙的载荷分配、螺纹牙面上的压力分布以及应力 场、位移场均和螺纹牙形、螺纹牙面状态、刚度分布等细部结构有
很大关系。钻杆接头采用锥形螺纹联结结构，以舛２钻杆为研究
对象其结构，如图Ｉ所示。几何参数，如表Ｉ所示。
５结论 ． 论文在分析钻杆螺纹接头结构组成的基础上建立了钻杆接
头三维实体模型，考虑实际工作载荷对钻杆联结螺纹进行力学分 析，利用弹性有限单元法建立了钻杆螺纹接触有限元模型，计算 了钻杆在原始工况下的应力分布，得出钻杆断裂原因主要是钻杆
图１２ ２号样，珠光体＋铁索体
４．３硬度测试
取钻杆样品进行洛氏硬度测试，结果，如表４所示。 表４硬度测试表
从分析的样品看，外表面发生了严重的腐蚀点坑，当蚀坑的 深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔现象就会发生。钻 杆的腐蚀属于煤矿井下酸性环境引起的腐蚀。与断裂不同，腐蚀 是—个缓慢的过程，蚀坑必然存在—个积累过程。防止腐蚀失效
图ｌｌ ｌ号样，珠光体掀索体
的措施，首先是钻杆存放位置尽量远离井下酸性环境的来源，其 次是定期的清洗是可以避免腐蚀失效的。