劉 輝，張川東，付春艷，候 鐸

（1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程有限公司四川油建，四川 華陽 610213）

1 引 言

鉆井四通是構(gòu)成防噴器組合的重要元件。通過四通的側(cè)孔可安裝節(jié)流、壓井管匯，可進(jìn)行壓井、節(jié)流循環(huán)、擠注水泥及釋放井內(nèi)壓力[1]。某型號(hào)為FS28-35的鉆井四通在制造廠試壓合格后送到某油（氣）井使用115 d后，于回廠檢修試壓時(shí)，在與雙閘板防噴器相連接進(jìn)入夾緊裝置夾緊的過程中，當(dāng)試壓達(dá)到17 MPa時(shí)，該四通主通徑與法蘭過度處發(fā)生開裂，形成巨大裂縫。

該四通破裂后，受使用單位委托對(duì)該鉆井四通進(jìn)行開裂原因分析，進(jìn)行了以下一系列工作。

2 外觀檢查

對(duì)該失效四通進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，其主通徑本體與法蘭的過渡處（截面尺寸急劇變化處）因機(jī)械加工至四通主體表面與法蘭面無圓角過渡而形成尖銳直角；裂縫在直角底部處產(chǎn)生并沿直角底部向四通主體及法蘭過渡處的周向和徑向擴(kuò)展，直至最終將主通徑內(nèi)壁裂穿，同時(shí)貫穿螺栓孔和整個(gè)法蘭厚度（見圖1）。裂縫周向長(zhǎng)度接近圓周長(zhǎng)度的1/2。同時(shí)，在該處有可見的鑄造圓角殘余。

圖1 開裂處形貌

按GB/T 9444-1988《鑄鋼件磁粉探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》探傷，其他部位未見可記錄缺陷。

3 理化性能檢驗(yàn)

在鉆井四通主通徑本體上取樣進(jìn)行理化性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

按GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)四通本體材質(zhì)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表1。四通材質(zhì)的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表1 四通材質(zhì)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 四通材質(zhì)的化學(xué)成分分析結(jié)果

材料的理化性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該四通的拉伸性能和沖擊韌性均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)API 16A的要求。其強(qiáng)度稍低，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率及沖擊韌性遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值?；瘜W(xué)成分符合ZG25CrNiMo的要求。

4 斷口形貌及金相分析

在斷口上可以看到黃色箭頭所指的巨大鑄造縮孔，見圖2。

圖2 裂源部位斷口形貌

在主通徑本體上遠(yuǎn)離裂縫處取樣進(jìn)行低倍組織檢查，發(fā)現(xiàn)主通徑本體的壁厚中心部存在疏松；通徑主體的內(nèi)外表面到中心各1/3壁厚部分為柱狀結(jié)晶，見圖3。

圖3 四通主通徑壁縱截面低倍組織

裂縫擴(kuò)展部分，沿壁厚方向擴(kuò)展的形貌低倍照片見圖4。裂縫附近存在大量的缺陷，主要是粗大且密集的夾雜物和顯微疏松，見圖5。

主通徑本體的顯微組織為上貝氏體＋鐵素體＋屈氏體，以上貝氏體為主。顯微組織照片見圖6。

圖4 裂縫向壁厚方向深入的形貌

圖5 裂紋附近夾雜物和疏松

圖6 主通徑本體的顯微組織形貌（100X）

圖7 裂縫附近的顯微組織形貌（100X）

圖8 掃描電鏡分析試樣取樣部位

裂縫附近的顯微組織為上貝氏體＋鐵素體＋屈氏體，鐵素體＋屈氏體總量相當(dāng)于上貝氏體量。顯微組織見圖7。

在斷口上的裂源部位取試樣Ⅰ和Ⅱ并進(jìn)行掃描電鏡分析。取樣部位見圖8。

圖9 掃描電鏡觀察到的斷口上縮孔底部的微觀形貌（縮孔）

在觀察面上發(fā)現(xiàn)大量的縮孔、氣孔和夾雜物，并且有部分縮孔已露出直角底部表面。圖9揭示了縮孔底部表面上結(jié)晶前沿的乳突狀形貌。圖10所示為斷口面上的氣孔。

5 失效原因分析

（1）該鉆井四通額定工作壓力為35 MPa，試驗(yàn)壓力為17MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的額定壓力。查看該鉆井四通的設(shè)計(jì)圖紙并結(jié)合產(chǎn)品實(shí)物可見，主通徑本體與法蘭過渡處為直角，無圓角過渡，由此必然引起應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件首先在應(yīng)力集中部位或附近發(fā)生斷裂失效。在平均應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的斷裂，便往往與應(yīng)力集中有關(guān)[2-4]。

（2）在四通主通徑本體與法蘭過渡處的裂源部位存在大量鑄造縮孔、氣孔和夾雜，并且部分縮孔已露出直角底部表面。這些縮孔、氣孔和夾雜不僅破壞了鑄件材料內(nèi)部的連續(xù)性，而且，由于大量縮孔的存在，顯著減少了受力面積，從而顯著增大受力面上的作用應(yīng)力，因而顯著降低鑄件抵御外力作用的能力。那些縮孔接近直角底部的區(qū)域，由于應(yīng)力集中，在外力作用下，必將首先斷裂，成為裂紋源。

（3）熱處理淬火時(shí)冷卻速度不夠，未形成淬火馬氏體組織，而形成了上貝氏體組織+鐵素體+屈氏體的混合組織。具有這種組織的材料，其塑性、韌性和強(qiáng)度都較低。該鉆井四通的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性指標(biāo)都低于技術(shù)要求，與金相分析結(jié)果一致。強(qiáng)度、塑性、韌性皆低的材料有利于裂紋形成和快速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致四通的快速破裂失效。

綜上所述，該四通主通徑本體與法蘭過渡處（截面尺寸劇烈變化處）存在大量縮孔等缺陷，并且很多縮孔已露出直角底部表面；此外，該處呈直角造成應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力作用下，由于該鉆井四通的塑性低下，不能有效地通過塑性變形來緩減應(yīng)力集中，同時(shí)，材料的韌性很差非常利于裂紋的形成和擴(kuò)展，因而該處一旦形成裂紋，該裂紋勢(shì)必快速擴(kuò)展，從而發(fā)生快速脆性斷裂，最終導(dǎo)致該鉆井四通失效。

圖10 斷口面上掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)的氣孔和縮孔

6 結(jié)束語

（1）通過系列試驗(yàn)和對(duì)設(shè)計(jì)圖樣等的研究，可得出該鉆井四通開裂的原因是：裂處存在大量縮孔等鑄造缺陷，大幅度減小了該處的受力面積；開裂處呈直角而造成應(yīng)力集中；材料的塑、韌性極低助長(zhǎng)裂紋快速擴(kuò)展。以上三者是該四通在較小試驗(yàn)壓力下，首先在鑄造缺陷處形成裂紋，然后發(fā)生快速脆性斷裂，最終導(dǎo)致該鉆井四通失效。

（2）為了避免再次出現(xiàn)類似事故，需要注意以下事項(xiàng)：

須加強(qiáng)鑄件的內(nèi)部質(zhì)量控制，對(duì)關(guān)鍵零件須進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，以避免鑄件的關(guān)鍵部位出現(xiàn)大面積的縮孔、氣孔和疏松。

改進(jìn)設(shè)計(jì)和機(jī)械加工，避免重要零件的關(guān)鍵部位的應(yīng)力集中。這對(duì)于那些塑性和韌性不佳的材料尤其重要。

改善熱處理工藝，提高淬火冷速，避免對(duì)材料強(qiáng)度、塑性和韌性不利的組織出現(xiàn)。

改進(jìn)鑄造工藝，根據(jù)四通的尺寸和形狀，仔細(xì)計(jì)算熱節(jié)，合理布置冒口和冷鐵并確定其尺寸，使鑄件順序凝固[5]，避免大量縮孔等鑄造缺陷出現(xiàn)于四通本體與法蘭的過渡區(qū)。

[1] 杜曉瑞，王桂文，王德良，等.鉆井工具手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[2]孫 智，江 利，應(yīng)鵬展.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 余青華，劉英吉，邵景芳.鑄造工藝CAE在大通徑環(huán)形防噴器外殼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].大型鑄鍛件，2009（4）：33-35.

[4]聶小武.鑄鋼件縮孔及縮松缺陷的消除[J].機(jī)械工人，2007（1）：57-59.

[5] 孫仁昌，崔紅偉，陳秀娟.機(jī)架鑄件常見缺陷的預(yù)防措施及處理方法[J].大型鑄鍛件，2007（1）：28-29.