水力振蕩器斷裂失效分析

分析了某油田水力振蕩器振蕩短節螺紋斷裂失效行為，通過宏觀分析、理化性能分析、斷口微觀分析、 強度核算等方法，系統的分析了該工具斷裂失效因素，結果表明，在服役過程中，由于復雜的工況和自身材質的 影響，導致工具在應力集中區域產生了疲勞損傷，從而萌生疲勞裂紋，裂紋擴展直至斷裂。

水力振蕩器作為一種高效的鉆井提速提效專用工 具，越來越廣泛的用于石油鉆井作業中，特別是在大位 移井水平井鉆井作業過程中起到減摩降阻的作用。它集 機械剪切、水力和扭轉沖擊三種破巖方式于一體，利用 鉆井液驅動內部構件，將部分流體能量轉換成一定頻率、 周向扭轉沖擊的能量，并直接傳遞給鉆頭，從而提高鉆井速度。其特殊的工作原理，極易導致在工具局部產 生應力集中，在近鉆頭端的鉆柱組合也讓其在斷裂失效 后后續處理變得更加復雜，因此有必要對其斷裂失效進 行分析，確定斷裂主因，避免再次發生。本次失效的為 某國產 8" 水力振蕩器，失效形式為上部水力振蕩短節母螺紋斷裂。

截取螺紋斷口兩側樣品共 2 件，為 1 對匹配斷 口，總長度為 424 mm，外徑為 202.80 mm，內徑為 74.32 mm，斷口距內螺紋端面 128 mm，位于內螺紋小 端數第 1~2 扣螺紋部位，斷口 50% 面積顏色較亮，斷 口內側螺紋根部存在應力臺階，斷口擴展區較平坦，局 部擴展區呈扇形，可見貝紋線特征，形貌見圖 1。斷口 附近螺紋底部存在裂紋，在斷口部位取樣，對其縱截面 研磨拋光，螺紋底部的裂紋形貌如圖 2 所示。

在水力振蕩短節上取樣，金相顯微鏡下觀察其金相 組織，其內層和壁厚中心的金相組織為回火索氏體 + 少 量貝氏體，外層金相組織為回火索氏體，形貌見圖 3。 進行非金屬夾雜物評級和晶粒度評級 [2]，結果如表 4 所 示。由結果可知，該水力振蕩短節 C 類夾雜物含量較高， 在 1 個視場內 C 類夾雜物長度總和為 1 044 mm，評級 為 3.0 級，形貌見圖 4。

宏觀分析表明，該水力振蕩短節內螺紋接頭小端數 第 1~2 扣螺紋發生斷裂，斷口起源于螺紋根部，存在應 力臺階，屬多源疲勞特征；斷口擴展區較平坦，呈扇形， 可見貝紋線特征，均符合疲勞斷裂特征 ；斷口附近螺紋 底部存在較多橫向裂紋，裂紋擴展區較平直，這些裂紋 與斷口平行，與斷口的開裂機理相同。 力學性能分析表明，該斷裂部件的抗拉強度、屈 服強度以及伸長率均滿足了設計要求，縱向沖擊吸收 功則低于設計要求的下限，布氏硬度在 317~326 HB 范 圍內。 金相分析表明，該水力振蕩短節內層和壁厚中心的 金相組織為回火索氏體 + 少量貝氏體，外層金相組織為 回火索氏體，晶粒度正常，為 8.5 級 ；C 類夾雜物含量 較高，為 3.0 級 ；螺紋底部的裂紋存在二次裂紋特征， 這些二次裂紋是沿夾雜物開裂的。 微觀分析表明，斷口源區存在應力臺階，斷口附近 （與斷口處于同一扣螺紋內）存在與斷面平行的其他裂 紋，斷口擴展區存在疲勞輝紋。 根據上述試驗分析，可以推知該水力振蕩短節內螺 紋斷裂的失效機理為疲勞斷裂。

內螺紋小端數前三至五扣螺紋區域承受的應力 較為集中，且水力振蕩短節作為水力振蕩器的主要儲能 釋放結構，其本身在整個工具中也是應力集中構件，二 者疊加，導致應力集中程度加大，這正是該水力振蕩短 節內螺紋接頭從該部位斷裂的原因。（2）該水力振蕩接 頭的 C 類（硅酸鹽類）夾雜物含量較高。夾雜物的存 在導致材料內部的不連續性，存在應力集中，尤其是硅 酸鹽類夾雜物端部較尖銳，類似于裂紋等缺陷。在裂紋 擴展過程中，存在較多沿夾雜物開裂的二次裂紋，表明 夾雜物對本次斷裂的擴展過程產生一定的影響。另外， 該水力振蕩短節的沖擊吸收功低于標準要求的下限，表 明該斷裂部件的韌性較差，也跟夾雜物含量較高存在一 定的聯系。（3）該水力振蕩器所服役井身的最大全角變 化率為 6.55°/30 m，鉆柱在較大全角變化率的井段鉆進 時，必然承受較大的交變彎曲載荷，為水力振蕩短節的 疲勞損傷提供了交變載荷。（4）對一些提速提效井下動 力工具，建議制定合理的檢驗周期，尤其是在較苛刻井 況使用時，合理縮短檢驗周期，及時更換缺陷部件。