方钻杆用钢综合机械性能分析

摘要：对方钻杆用钢进行了比较全面的分析，选择合适的钢种，淬透性强，高强度和高韧性得到了充分的结合，提高了方钻杆的综合机械性能。用方钻杆在复杂的条件下进行石油、天然气、煤层气、页岩气勘探工作，钢材的材质关乎方钻杆的使用寿命，因此，需要对方钻杆用钢的机械性能进行综合性的研究，有效提高方钻杆整体的可靠性。

关键词：方钻杆；综合机械性能；淬透性；可靠性

在石油、天然气、煤层气、页岩气钻探工作开展的过程当中，方钻杆位于旋转钻柱的最上端，起到提升钻具的作用。在工作过程中，方钻杆不仅要承受扭转力矩，还要承受整体的拉伸和相应的疲劳载荷，因此，为了提升钻井效率，需要提升方钻杆用钢的综合性机械性能，通过对方钻杆用钢进行研究与分析，选择出机械性能较好且符合工作现有技术的方钻杆用钢。多数企业采用优质合金结构钢40CrMnMo（等同AISI4140H）、45CrMnMo（等同AISI4145H）制造方钻杆。

1方钻杆简介

方钻杆处于钻柱的最上端，有四方和六方两种类型，上接头、管体、下接头三个部分共同组成了方钻杆。管体的组成部分分为四方和六方两种类型结构，在实际钻井工作当中，大多数应用的是四方结构，上接头为左旋母螺纹，和水龙头进行连接，在旋转的整个过程当中，左旋母螺纹防止倒扣，下接头是右旋公螺纹，直接和钻杆进行连接。在施工整个过程当中，方钻杆的上端要始终位于转盘面的上部分，而方钻杆的下部则位于转盘面以下。

2方钻杆旋塞阀研究分析

方钻杆旋塞阀分为上部方钻杆旋塞阀和下部方钻杆旋塞阀，作用都是关闭、封住钻柱内的压力，是方钻杆的关键配件。

2.1冲蚀磨损

在发生井喷的过程当中，钻杆内部的整体流速会有大幅度的增加，对于整个设备的磨损率也会更加高，在这种情况下就会引起整个表面积的损伤，以至于出现裂纹，最终会导致整个装置断裂。泥浆在对整个阀体进行冲击的过程当中，不同的冲击角度会造成不同的划伤痕迹。泥浆颗粒成分及大小也会影响冲蚀磨损。冲蚀磨损的整体过程当中，不同的磨损会具有一定的区域，硬磨料磨损区域以及整体的磨损率都会根据机械运转的整体情况发生一定的变化，泥浆固液双相流的冲蚀磨损程度也会因此变化。

2.2腐蚀磨损

CO腐蚀。在腐蚀的所有情况当中，CO腐蚀有比较明显的一个特征，即局部会出现一点一点的腐蚀，内部的结构逐渐就会受到影响，最后旋塞阀本体以及阀芯上也会出现腐蚀问题。H2S腐蚀。该腐蚀主要是因为受到了硫酸盐层的入侵，硫酸盐会对地层的裂缝造成影响，使得一些比较难溶解的硫化物进入到机械设备的内部。当温度升高时，化学反应的速度会逐渐加快，从而也会加快腐蚀的速度，在这个过程当中氧的溶解度也会降低，在一定程度上又会降低腐蚀速度。H2S/CO共同腐蚀的影响。如果机械设备的运行环境存在H2S/CO，这两种因素共同影响下，腐蚀面积会增长得比较快，两者会加剧腐蚀反应，使得整体运行受到较大的影响，不利于方钻杆用钢等关键设备的运行。

3方钻杆用钢分析应注意的事项

传动角不能进行焊接。方钻杆的传动角不宜应用焊接的方法进行修复，如果在合金钢上进行焊接工作，势必会影响到材料整体性能的热影响区。当方钻杆处于弯曲状态时，传动的整体部分当中，方钻杆传动角承受着最大应力，在这种情况下，热影响区产生疲劳裂缝的概率是非常大的。除此之外，对修复焊条的拉伸强度要求比较多，硬度低的材料磨损速度要比硬度高的材料快，在修复的过程当中，不仅要考虑到疲劳裂缝的产生概率，还要对修复的整体费用进行相应的讨论。设置保护短节。在多次上钻杆和卸钻杆的过程当中，为了使方钻杆下接头的螺纹不会受到严重的磨损，需要配备保护短节。如果没有保护管就不能直接运送方钻杆，拖车在运送方钻杆的过程当中，保护管会对方钻杆起到明显的保护作用，也会增加方钻杆的支撑能力。对传动表面进行润滑。通过对方钻杆传动表面进行润滑，可以有效降低方钻杆通过减低滚子时的摩擦力和粘接力，保障方钻杆可以通过滚子补心。禁止使用扭曲的方钻杆。如果方钻杆出现了扭结以及不同程度的弯曲，在投入到使用的过程当中，会加快方钻杆和传动滚子的磨损，提高方钻杆和钻杆疲劳的概率。定期对方钻杆进行检查。定期对方钻杆磨损外形整体的变化进行有效的检查，检查螺纹和传动平面与加厚端之间倒角传动角中的疲劳损伤，通过定期的检查可以延长方钻杆的使用寿命。

4合金元素对淬透性及综合机械性能的影响

合金元素对于中碳低合金钢的影响主要表现在固溶强化、增加淬透性、提高回火整体的稳定性，对机械的性能起到了改善的作用。在固溶强化作用中，碳能够起到有效的作用，合金元素在其中只起次要作用，在各种试验钢的过程当中，含碳量越高，固溶强化整体的效果就越好。C、Cr、Mn、Mo含量越高，淬透性的效果越好，在采取热处理工艺淬火之后，在较大的截面当中会获得马氏体组织，经过高温回火之后，就可以得到比较好的综合机械性能。钢会受到合金化以及淬透性的限制，在经过正常的工艺淬火之后，在大截面的试件中心组织当中会存在着比较多的非马氏体分解产物，在这种情况下，调质处理要达到高强度与高韧性相结合的综合机械性能就比较困难。为了改善方钻杆用钢的综合机械性能，需要对材料中所具有的Mn含量进行分析，Mn的结构比较复杂，其中具有点阵结构，和其他的元素相比，Mn在钢中可以起到高强度和高韧性的双重作用。Mn通过细化晶粒之后，可以对晶体之间的碳化物的析出和分布进行有效的调整，在一定程度上可以提高材质的整体性能。在钢中增加Mn可以有效提高材质的整体韧性，降低缺口的整体敏感度，缺口的尖端处于一定的约束条件时，可以对其应力集中进行有效的改善。随着整体结构的强度和塑韧性得到了有效的提升，相关构件的扭转性能也能够得到有效的提升，能够改善方钻杆受力复杂、应力集中的工件问题，对于方钻杆用钢综合机械性能整体的提升具有积极的作用。

5回火温度及金相组织对性能的影响

方钻杆用钢的综合的机械性能不仅会受到钢种的淬透性影响，还和热处理的工艺参数有着密切的关系。不同的工艺参数，尤其是回火温度，对于钢的组织转变和整体的钢性能都具有很大的影响。当回火的温度处于比较低的范围时，材料整体的强度和硬度指标都是比较高的，但是韧性比较低；当回火的温度比较高时，整体构件的韧性也比较高，但是整体的强度水平比较低。只有选择一个比较适合的回火温度范围（600～630℃），材料的强度、韧性、塑性才能够得到有效的提升。通过金相分析，可以发现试件的组织基本是单一的回火索氏体，而钢的心部组织除了有回火索氏体，还会有少量的上贝氏体。方钻杆用钢的综合机械性能有所降低，是因为非马氏体分解产物的存在，合金结构钢淬火之后回火，随着回火的温度不断地提高，组织内部会逐渐地进行碳化物沉淀，结构当中残余的奥氏体会分解，马氏体结构会进行恢复和再结晶。

6棒材和管材的无损检测

所有方钻杆用钢的棒材和管材都应该进行表面裂纹和内部缺陷的检测，如果外表面已加工，不要求进行表面缺陷的检测，无损检测应在所有热处理完成后进行。制造商应对无损检测人员资格认证的程序管理负责，无损检测应该由具备二级或三级证书的检测人员实施。每根标准钢的棒材和管材都应该进行外表面缺陷的检测，优先使用超声检测或者是磁粉检测。每根管材的内表面应采用超声波斜束检测，该要求仅适用于热处理前为管状的材料，热处理时为实心的棒材和热处理后钻孔的材料不作为管材检测。如果采用超声检测外表面或内表面，每根棒材和管材应进行全长度、360°搭接扫描检测表面缺陷；如果采用磁粉检测标准钢外表面，每根棒材和管材均应采用干磁粉和湿磁粉的方法进行全长度纵向缺陷的检测。

7结束语

通过对方钻杆用钢进行综合性的机械性能研究，能够进一步对方钻杆用钢进行比较全面的了解，有效提高方钻杆整体的可靠性。通过对相关的因素进行合理的控制，能够有效延长方钻杆的使用寿命。

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作者：牛战波 单位：河南神龙石油钻具有限公司