摘要】 运用金相显微镜、扫描电镜对摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效进行了分析。结果表明，碳化物分布不均匀导致调质处理后在钻杆接头中产生“带状组织”。焊后不正确的热处理使焊缝组织中出现残存的条状分布的马氏体，此条状分布的马氏体使焊缝的强韧性下降，造成焊缝发生疲劳断裂失效。改进热处理工艺后，消除了残存马氏体，提高了钻杆焊缝的强韧性，从而提高了钻杆的使用寿命。
关键词：钻杆 石油 热处理 带状组织 失效分析 Proe网 ugproe.com
Fracture Analysis on Welded Seam of Friction Welded Drill Rod
Zhu Zhangxiao，Wang Kunlin，He Maowen
（Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084）
Yang Baoqi，Qiang Wanqi，Guo Fajang
（The Second Well Drilling Company，Liaohe Oil-Field）
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【Abstract】 The fracture failure analysis on welded seam of drill rod by friction weld was studied with the optic microscope（OM） and the scanning electron microscope（SEM）．The results revealed that the non-homogeneous distribution of the carbide caused the “zonal structure” appeared in the joint of drill rod which is hardened and hightemperature tempered．The retained striped martensite remained in the welding structure because of the erroneous heat treatment process．It reduced the strength and the toughness of the welding and caused the fracture failure of the welding of drill rod．The retained martensite is removed by improvement on heat treatment process．It increases the strength and the toughness of the welding and prolongs service life of the drill rod．
Key words：drill rod，petroleum，heat treatment，zonal structure，failure analysis
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1 前言
石油钻杆是油田钻井机械的重要部件。钻杆由钻杆接头和钻杆管体通过摩擦焊接而成，焊后进行正火或调质处理。钻杆使用时承受很大的拉应力和扭矩，并经受强烈的震动和冲击。合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理可使焊缝力学性能满足行业标准［1］。如果摩擦焊或焊后热处理工艺不当，钻杆使用时焊缝容易断裂，造成很大的经济损失。现有现场使用断裂钻杆1根，需要进行失效分析，判定其失效原因，提出解决措施，以提高钻杆质量，避免断杆事故发生。 模具网 ugproe.com
2 现场调研
钻杆生产厂生产的钻杆采用的接头为外购件，材料为40CrMnMo钢，调质处理后硬度为285～319HB（30～35HRC）。管体采用已使用过的钻杆切除已损坏的接头后的旧管体。接头与管体采用摩擦压力25～30MPa和顶锻压力50～60MPa的摩擦焊进行焊接。根据现场了解，摩擦焊工艺较稳定，一般情况下能保证焊接质量。焊后钻杆经中频加热后冲去焊缝内翻边，然后用车床车去外翻边。最终热处理工艺为：中频淬火＋中频加热回火。规定的淬火加热温度为920℃，回火温度为650℃。因现场无测温控温装置，靠目测淬火加热温度，故温度波动较大，回火温度偏低，回火时间不足。
钻杆断裂部位在焊缝靠接头一侧，离焊缝中心约0.5～1.0mm处，见图1。焊缝表面可见残存的粗车刀痕，断裂面较为平整，无明显的宏观塑性变形。
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图1 钻杆简图
根据以上现场调研结果，初步认为钻杆断裂原因是热处理工艺存在问题，造成钻杆焊缝组织、性能低劣，不能满足使用要求。
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3 显微分析
3.1 接头母材成分及组织
在远离焊缝部位的接头上取样，分析其化学成分，用Unimet型金相显微镜分析其组织，结果见表1和图2。
表1 接头的主要化学成分质量分数 w（％） 中国模具视频网
| C | Mn | Cr | Mo | Ni | Fe |
| 0.42 | 1.02 | 1.20 | 0.24 | ＜0.05 | 97.07 |
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图2 钻杆接头母材的金相组织 ×400
腐蚀剂：4％硝酸酒精
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根据化学成分分析结果可知，该接头的材料为40CrMnMo钢。接头母材的金相显微组织为回火索氏体，晶粒度为7～8级，沿接头轴向呈带状分布，显微组织不均匀。白色区间显微硬度为183～188HV，黑色区间显微硬度为216～223HV。黑色区间内含有较多的白色碳化物颗粒，用HR-150型洛氏硬度计测定其洛氏硬度值为31～36HRC，平均值为34HRC。硬度符合接头图纸规定的技术要求，夹杂物含量合格。
3.2 钻杆焊缝金相组织
图3为接头焊缝附近的金相组织，由回火索氏体、少量回火屈氏体和白色条状物组成。经显微硬度测定，较深色的回火索氏体区域显微硬度为236～286HV，白色条状物的显微硬度为890～940HV。在高倍显微镜下观察（图3b），白色条状物由马氏体组成，这种条状分布的马氏体对焊缝的强韧性极其有害，是不允许在焊缝中出现的。 模具网 ugproe.com
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图3 钻杆焊缝金相组织（腐蚀剂：4％硝酸酒精）
（a）×50 （b）×400 Proe网 ugproe.com
3.3 断裂面形貌
对钻杆保存较好的断裂区取样，用S-450型扫描电镜观察，断裂面形貌见图4。断裂面有许多平行相间的条纹，具有疲劳断口的特征。大片白色区域表面较平整，可能是马氏体破断留下的断裂面，断裂面上还有一些白色颗粒。对白色颗粒状物质进行能谱成分分析，其主要元素含量为（％）：13.99Cr、0.52Mn、85.99Fe，可见这些白色颗粒物质是含铬化合物。 UG网，首选ugproe.com
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图4 钻杆断裂面形貌（SEM） ×1500 UG网，首选ugproe.com
4 分析与讨论
根据以上分析结果，对钻杆焊缝断裂原因分析如下：
所购接头的化学成分、夹杂物、晶粒度及洛氏硬度均符合接头技术要求。但接头母材的显微组织不均匀，回火索氏体呈带状分布。含铬钢在结晶过程中容易沿散热方向出现柱状晶，同时会发生严重的枝晶偏析，造成合金成分在微观上的不均匀性［2］。结晶后温度进一步下降，从奥氏体中析出碳化物分布不均匀。钢锭锻造或热轧时，枝晶沿变形方向沿伸，碳化物沿变形方向呈带状分布于钢材中。碳化物的不均匀性可通过两种途径予以改善，一是通过反复锻造，二是进行扩散退火。若接头生产工艺不当，则在接头调质过程中会“遗传”这种分布状态，形成图2所示的“带状组织”。其特点是合金（碳化物形成元素）含量较高的部位易形成较多的碳化物（暗区），合金含量较低的部位易形成较多的铁素体（白区）。因此白色区间比黑色区间的显微硬度要低。
当接头与管体进行摩擦焊焊接时，在顶锻压力的作用下，带状组织沿挤压方向变形成为条状分布。由于摩擦焊温度很高，焊缝在焊后冷却时，将得到铁素体、屈氏体、贝氏体的粗大混合组织，并可能含有马氏体。虽然冲内翻边的一次中频加热可在一定程度上细化组织，但其合金成分的微观不均匀性和碳化物分布不均匀性仍保留下来。
在最终热处理时，当焊缝加热到900～920℃时，焊缝组织转变为奥氏体。原来含合金元素较多的区域（合金碳化物富集区）转变为较高合金含量的奥氏体，原来合金元素较少的区域转变为较低合金含量的奥氏体。
在高速风冷下，较高合金含量的奥氏体转变为较高合金含量的马氏体，较低合金含量的奥氏体转变为较低合金含量的马氏体。在其后的回火过程中，较低合金含量的马氏体的回火稳定性较低［1］，其所在区域转变为回火索氏体。而较高合金含量的马氏体由于回火稳定性高，回火时间短，未能转变成回火索氏体，而转变成回火马氏体和部分回火屈氏体，一些马氏体甚至还未回火。这些马氏体以条状形态残存于焊缝中（图3b）。由于现场没有测温控温装置，淬火加热温度过高，回火加热温度偏低，加剧了上述现象。
马氏体（中碳）是一种脆性相，它的存在极大地削弱了焊缝的强韧性。由于条状分布的马氏体在焊缝中心附近排列方向正好与钻杆轴线垂直、与焊接面平行，因此焊缝在轴向上的强度和径向上的冲击韧度大为降低。当焊缝表面损伤、存在较深的切削刀痕或夹杂物时，在受到冲击载荷和轴向拉伸应力的作用下，焊缝表面易产生裂纹源，裂纹沿着条状分布的马氏体走向扩展，造成钻杆疲劳断裂。根据金相分析，焊缝管体一侧调质组织较正常，因此这种断裂通常发生在焊缝靠接头一侧。上述过程可用图5来表示。
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图5 条状分布的马氏体形成和焊缝断裂示意图
（a） 对焊前接头带状组织 （b） 对焊并热处理后接头中
条状分布的马氏体 （c） 产生裂纹 （d） 断裂 Proe网 ugproe.com
根据上述失效分析结果，为提高钻杆焊缝性能，提出改进措施如下：
（1） 接头生产厂应对接头材料进行反复锻造或扩散退火，消除或削弱调质件中的带状组织。
（2） 钻杆生产厂应合理制订焊缝最终热处理工艺，严格控制淬火温度及加热时间，适当调整回火温度及回火时间，确保焊缝充分回火，消除条状分布的马氏体，获得较均匀的回火索氏体组织。
通过实验室模拟热处理试验，改进了焊缝最终热处理工艺，改造了热处理设备，并采用红外线测温仪，进行微机测温控温。按新工艺处理的钻杆焊缝力学性能达到了行业标准，新工艺已在生产中采用。1年多来，生产上千根钻杆，尚无1根发生断裂，达到预期目标，取得了重大的经济效益。 Proe网 ugproe.com
5 结论
（1） 钻杆接头材料中的带状组织由合金成分的不均匀性和碳化物沿锻、轧方向分布所引起。
（2） 焊缝接头侧组织中条状分布的马氏体由接头母材带状组织中合金成分不均匀性所引起，热处理工艺不当是其重要工艺因素。
（3） 条状分布的马氏体降低了焊缝的强韧性，使焊缝产生疲劳断裂。
（4） 改进热处理工艺后可消除焊缝中条状分布的马氏体，获得较均匀的回火索氏体组织，提高焊缝力学性能。
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