腐蚀疲劳断口分析.docx

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腐蚀疲劳断口分析

课程设计（论文）

题目：

钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析

学院（系）：

材料科学与工程学院

专业：

金属材料工程

班级：

金材1002

*******

指导教师：

雒设计

所在单位：

西安石油大学

完成时间:

2013年9月

1．引言

许多工程结构件的使用状态，不但是处于交变载荷和常温大气的条件下，而大多数是经受交变载荷和腐蚀介质的共同作用。

金属的腐蚀疲劳[1]是工程中经常出现的一种现象，钻探管道，压缩机和燃气轮的叶片，舰船用螺旋桨和舵，蒸汽和水管道，化学工业中的泵轴等，往往遭受到腐蚀疲劳破坏。

所以，随着现代化工业的发展，腐蚀疲劳已成为在石油、化工、冶金和海洋灯用钢结构中的重要研究课题之一。

国外非常重视腐蚀疲劳研究工作，1973年召开过国际腐蚀疲劳会议。

近些年来，已将断裂力学应用于腐蚀疲劳研究中，但是，国内对金属腐蚀疲劳研究很少。

鉴于我国目前海水用钢和抗硫化氢用钢等防腐蚀用钢发展的需要，应积极采取措施在现有疲劳试验机上增加腐蚀装置，大力开展腐蚀疲劳的实验研究工作。

2.钻杆钢

2.1钻杆钢的分类及应用

石油钻杆一般采用中碳合金钢，钢管都以热处理状态交货，通常采用调质热处理，得到回火索氏体组织，其具有良好的综合机械性能。

按美国石油学会标准API5D钻杆按钢级可分为E-75，X-95，G-105，S-135，短线后的数字代表最小屈服强度，其中S135材质相对于36CrNiMo，36CrMnMo，30CrMn，也可以采用不锈钢材质，如00Cr13Ni5Mo。

钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。

钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。

钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。

在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用，钻杆的长度一般在九米左右。

光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。

首先，通过钢管加厚工序的处理，光管外表面向内弯，钢管管壁加厚。

下一步，进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。

然后进行非破坏性质量控制检验，随后进行钢管管体接头的焊接。

而后，管体会经历焊接热处理和焊接最终处理，以消除焊接残余压力。

在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测，包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试。

2.2钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析

钻杆腐蚀疲劳失效[2,3],是腐蚀介质和弯曲交变载荷共同作用的结果从大量钻杆失效分析中观察到，腐蚀疲劳失效大都发生在内加厚过渡区终了处,即接头端面0.5～1.0m处；因发展阶段不同，客观上可看到裂纹、刺孔、断裂等失效形式;腐蚀疲劳裂纹源与钻杆内壁蚀坑对应;腐蚀疲劳事故多发生在井斜和方位变化大的井段。

这些现象,为认识钻杆腐蚀疲劳过程提供了重要的信息。

根据失效分析,钻杆腐蚀疲劳过程可总结为以下三点：

（1）蚀坑的形成和裂纹的荫生

蚀坑的形成于钻杆用钢成分及泥浆介质有关，在PH值较高的弱碱性条件下Cr、Mo、Ni含量较高，钻杆常见点蚀,尤其断口附近内壁有大量小而深的点蚀坑,而其它区域表面光滑。

Mn含量较高，而Cr、Ni、Mo含量低的钻杆内壁布满圆而浅的蚀坑,蚀坑直径与深度比约为2:

1,且断口附近蚀坑大而深。

（2）裂纹的扩展

腐蚀疲劳裂纹在交变应力和腐蚀介质作用下迅速扩展,高强度钻杆更甚。

蚀坑下萌生的多条裂纹,平行地分布于管内壁的不同水平面或同一水平面上.交变应力因管壁截面减小而增大,裂纹尖端便向壁厚内部扩展。

裂纹萌生和扩展初期,由于交变应力较低,一般认为腐蚀作用是主要的。

当应力幅值高于临界腐蚀应力时,也可能是腐蚀疲劳和应力腐蚀同时起作用,使裂纹迅速扩展。

（3）刺穿和断裂

由于裂纹不断扩展,剩余壁厚愈来愈薄。

进而形成穿透裂纹,高压泥浆乘隙而入形成穿孔。

当剩余截面不足以承受工作应力时,即产生断裂。

3.实验方法

3.1实验材料的选用

实验材料为S135钻杆钢，其化学成分（质量分数/%）：

0.32C，0.24Si，0.75Mn,0.007P,0.004S,1.02Cr,0.17Mo,0.006Ti,0.06Cu,余量Fe。

沿钻杆纵向取样的力学性能指标为σt＝1112MPa，σb＝1197MPa，δ＝17.5%，CV＝47.0J（20℃）。

该钻杆的供货状态为调质热处理，其光学显微组织为典型的回火索氏体组织，如图1所示。

疲劳试样沿钻杆的纵向取样，试样的长度方向为钻杆纵向，取样加工成直径Ф＝5mm的圆棒疲劳试样。

图1疲劳试样尺寸

3.2断口的制备和保存及注意事项

疲劳加载试验采用的是PCD-100型电液伺服疲劳试验机,在实验加载过程中，为了使腐蚀液对试样表面有充分的腐蚀,试验应在低的频率（低于l.5Hz）下进行,经研究表明[4]，因此本试验采用的载荷频率为1Hz。

腐蚀介质3.5%NaCl,pH值7—8,介质温度控制在23℃士3℃之间。

裂纹长度由读数显微镜测到（精确到0.001mm）,疲劳加载试验机上采用轴向应力控制、正弦波，疲劳试验采用3种不同的应力σ：

（1）σ=8KN；

（2）σ=12KN；（3）σ=16KN。

为了更好的实际工况,在整个试验进行的过程中,介质箱应始终处于敞开状态,以利于空气中的氧分子进入到溶液中,与腐蚀疲劳试样进行作用。

a.常用的断口试样保存方法有

（1）在断口表面上涂抹一层极易溶去且不腐蚀的保护材料，例如防锈漆、醋酸纤维、丙酮溶液等，以防止断口表面生锈或腐蚀现象发生。

（2）将清洗完毕的试样浸泡在无水洒精中，或放入干燥器里，也可浸入机油中浸渍保存，用这种方法时要注意防止机油对断口表面的腐蚀，这种方法只有在不得已情况下才采用。

还有塑料袋存放断口，这是临时使用的简易方法。

（3）采用醋酸纤维7%~8%的丙酮溶液，在使用时将它倒在断口表面，并使溶液均匀分布，干后即可。

（4）采用三氯乙烯容易清洗掉的透明胶做断口表面的保护材料。

b.断口试样保存的注意事项

（1）断口要保持干燥

　　断口试样在选取、清洗及传递的过程中应避免受潮，禁止用水洗涤断口表面。

对于腐蚀的钻杆钢断口试样需要彻底洗涤，用水洗后，立即用丙酮或酒精溶液漂洗并干燥后放入干燥器皿中存放。

（2）断口表面严防机械擦伤

　　构件断裂失效大多数是在运行过程中发生的．不可避免的在断口表面产生不同程度的机械损伤，这是事先无法防止的。

但是，在断口取样、取放、制备金相试样等过程中要严防发生人为机械擦伤，特别要注意不得使两个匹配面相互咬合或碰击。

　（3）断口表面不能用酸性溶液清洗

　　用酸性溶液清洗断口表面，不仅使断口形貌失真而且还会在断口上显示出材料的显微组织形态或过腐蚀的痕迹等“假像”。

将严重的影响断口分析的准确性，使断裂原因分析更加复杂化。

4.腐蚀疲劳的断口形貌分析

腐蚀疲劳断口形貌分析方法[5]一般分为两种：

宏观断口分析和微观断口分析；宏观断口分析主要通过肉眼观察分析，而对于微观断口分析则采用LEOS-360型扫描电镜来进行对断口上的不同区域的微观形貌。

4.1宏观断口形貌特征分析

（a）8KN（b）12KN

（c）16KN

图2不同加载载荷下的宏观断口形貌

如图2为不同加载载荷下的宏观断口形貌特征图，从图中可以看出它们均具备了断口形貌的三大特征区域：

疲劳源区、疲劳裂纹扩展区、瞬断区；同时，经研究表明[6,7]，在大气NaCl溶液环境下，断口表面多表现出点蚀坑的存在（黑色点状部分），在载荷作用下，断口中间部位的裂纹沿着试样断口表面横向扩展,而裂纹前沿靠近表面的地方均出现了明显的宏观剪切唇,该剪切唇与裂纹面之间的夹角大约为45°。

显然,对于钻杆钢腐蚀疲劳试验,裂纹面在扩展过程中的取向发生改变,导致腐蚀疲劳裂纹由起初的拉伸模式疲劳裂纹逐渐向剪切模式疲劳裂纹过渡，疲劳裂纹从试样表面形成，向试样内部扩展，且由图2看出，不同载荷下，断口各区域比例也随发生变化；从宏观形貌上分析断口特征，其断口附近无明显的塑形变形，都是脆性断裂，疲劳裂纹一般萌生于材料表面或靠近表面的位置。

比较图2中（a）、（b）、（c），在靠近裂纹源处，裂纹放射状明显，其后裂纹逐渐稀疏，裂纹扩展速度加快，显示出快速断裂的形貌特征，在图2（a）中有多处疲劳源，表现出多疲劳源特征，而在图2（b）、（c）中只有一处疲劳源；比较图2（a）、（b）、（c）断口区域的比例可以看出：

随载荷的增加，断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小，瞬断区增大。

在图2（a）中，断口上的疲劳裂纹扩展区约占整个断面的2/3，而在图2（c）图中，疲劳裂纹扩展区的面积则占整个断面的1/2。

4.2疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析

（c）16KN

图3不同加载载荷下的疲劳源微观形貌

如图3为不同载荷下的疲劳源微观断口形貌图，疲劳裂纹一般萌生于材料表面或靠近表面的位置，裂纹从萌生点（点蚀坑）开始（如图中断口表层的灰黑色腐蚀层），在扩展中相遇，裂纹前沿因阻力不同而发生扩展方向上的偏离，此后，裂纹开始在各自的平面上继续扩展。

根据相关文献表明[8-10]，裂纹在不同的断裂面相交而形成台阶，这些台阶在断口上构成了放射状射线，且裂纹源区大多呈解理形貌；在断口上，裂纹从萌生点开始，以河流状花样向前扩展，在扩展中相遇，裂纹前沿因阻力不同而发生扩展方向上的偏离。

此后，裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相互交割而形成台阶，这些台阶在断口上构成了放射状射线，随着加载载荷的增加，河流花样减少，在该区域内观察不到疲劳条带。

比较图3中（a）、（b）、（c），随着加载载荷的增加，其形貌特征显著，在图3（a）中，疲劳源处裂纹放射线相对集中，密度较大，裂纹细小；在图3（b）中，裂纹放射线密度逐渐发散，且密度随载荷增大而减小，裂纹形状也随之变得细长；而在图3（c）中，裂纹放射线更加疏散，且裂纹形状变得粗长。

4.3疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析

（a）8KN（b）12KN

（c）16KN

图4不同加载载荷下的疲劳裂纹扩展区微观形貌

如图4为疲劳断口的裂纹扩展区微观形貌图，在加载载荷下，断口较为粗糙，且在该区域可以看到大量的小晶面，表明在裂纹扩展区，断裂方式主要以脆性断裂为主，同时，在不同载荷下的小晶面呈现不同的高度差，表现为晶面状形貌，且台阶尺寸也不尽相同；而且在断口形貌上有部分微裂纹，表明腐蚀疲劳裂纹基本上是在奥氏体晶粒内沿着不同的位向缓慢地以穿晶方式扩展,从而造成解理断裂，最终在其断面上形成解理形貌。

比较图4中（a）、（b）、（c），在不同加载载荷下，可以看出，在裂纹稳定扩展区以解理断裂为主要特征，可见，在图4（a）图中，解理台阶的晶面较小，高度差不明显；随着载荷的增加，在图4（b）中，解理台阶明显，呈明显的高度差，且面积增加，在图4（c）中，断口表面呈结晶状，解理台阶高度差更加明显，且晶面面积较大；由此，随着加载载荷的增加，扩展区解理形貌差别明显，其断口特征主要表现为解理形貌。

5.结果分析

5.1钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素

钢疲劳断口形貌分析可以看出，疲劳断口形貌的形成主要受载荷，腐蚀介质，

周边环境以及材料自身特性的影响因素。

1）载荷的影响

由断口形貌分析可以看出，随载荷的变化，断口形貌也随之发生变化，而且断口上各区域上的微观形貌特征也不尽相同；例如随加载载荷的变化，断口上各区域的面积也随之变化，并且随加载载荷的变化，断口上疲劳裂纹的扩展速率也不同，随载荷增加，裂纹扩展速率越大，从而影响整个断口形貌的特征及其相对应的组织形貌。

由此可以看出载荷对断口形貌特征的影响是巨大的。

2）腐蚀介质的影响

由钻杆效分析结果表明[2]，,钻杆表面首先形成大量小而深的蚀坑,在力学及化学因素共同作用下,在金属表面萌生及扩展,最终刺穿或断裂。

因此裂纹萌生一般均在腐蚀坑内，且由于腐蚀介质在金属表面形成许许多多的点蚀坑，从而导致断口呈现多源特征，同时在载荷的作用下，裂纹扩展的路径各不相同，而且还会相互影响，造成裂纹扩展路径上阻力增大，形成缺陷，最终导致断口形貌特征形貌的差异。

3）钻杆钢自身材料属性的影响

钻杆钢是合金元素钢，由于其合金元素如:

Mn、Gr、.Mo、Ti、Cu都可能会影响钻杆钢自身的性能，如钻杆钢的强度，硬度，韧性等，从而导致在腐蚀介质和加载载荷的作用下，其性能发生了相应的变化，最终在疲劳加载实验中，所获得的断口形貌也就随之发生变化，其疲劳裂纹扩展也会随之变化；此外，由于钻杆钢自身结构中存在晶体缺陷（杂质，第二相粒子，晶粒大小等等）的影响，导致裂纹扩展路径的变化，最终在介质和不同加载载荷作用下获得断口形貌特征。

6.结论

本实验通过对钻杆钢在腐蚀环境中不同加载载荷作用下所获得的疲劳断口进行宏观和微观的形貌分析，比较了不同载荷作用下的断口形貌特征，总结以下几点：

（1）在不同加载载荷下，腐蚀钻杆钢的疲劳断口主要由粗糙程度差异明显的疲劳裂纹源区和劳裂纹稳态扩展区与疲劳裂纹瞬断区组成。

在裂纹源区断面相对光滑，裂纹扩展区断面相对粗糙，且疲劳裂纹扩展一般萌生于金属表面。

（2）裂纹源区大多呈解理形貌，表现为脆性断裂；在裂纹源区向裂纹稳态扩展区的过渡区，存在放射状条纹、塑性亮痕，呈现出脆性断裂形貌特征；其断口多表现为解理台阶。

（3）疲劳断裂过程中，随着载荷的增大，疲劳源处裂纹放射线密度逐渐减小，且扩展区面积逐渐减小，瞬断区面积逐渐增大。

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