孫建華，況雪軍，肖 紅，梁 健，沈 娟，劉秀美，蔡紀(jì)雄

(1．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000;2．嘉興市新紀(jì)元鋼管制造有限公司，浙江 嘉興314503;3．無(wú)錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無(wú)錫214174)

0 引言

繩索取心鉆探技術(shù)在國(guó)內(nèi)外巖心鉆探領(lǐng)域中得到了廣泛的使用。目前，由于深部固體礦產(chǎn)資源勘查增多，鉆桿產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量要求不斷提高，部分國(guó)內(nèi)制造企業(yè)開(kāi)始向鉆桿的自動(dòng)化加工方向發(fā)展;同時(shí)，鉆探施工單位從提高中深孔繩索取心鉆探效率與保證鉆孔安全方面考量，亦對(duì)繩索取心鉆探施工關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品——鉆桿管材的質(zhì)量提出了更嚴(yán)格、更具體、更全面的要求。

針對(duì)地勘行業(yè)鉆探工程對(duì)繩索取心鉆桿越來(lái)越高的技術(shù)質(zhì)量要求，近年來(lái)，我國(guó)在繩索取心鉆桿材料的鋼級(jí)、幾何尺寸精度、綜合性能、鉆桿的加工精度、螺紋的優(yōu)化等方面進(jìn)行了研發(fā)，取得了重要技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品技術(shù)水平明顯提高。對(duì)于高強(qiáng)度鉆探管材的殘余應(yīng)力及其對(duì)使用壽命的影響等問(wèn)題，鉆探科研、鉆具生產(chǎn)、管材制造以及勘探施工等技術(shù)人員也開(kāi)始高度關(guān)注。部分觀點(diǎn)認(rèn)為鉆桿材料及鉆桿接頭螺紋部位的殘余應(yīng)力可能對(duì)繩索取心鉆桿的非正常損壞帶來(lái)影響，鉆探管材的殘余應(yīng)力應(yīng)被視為是特深孔繩索取心鉆桿技術(shù)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，鉆桿桿體殘余應(yīng)力越小，鉆桿性能越優(yōu)異。

普遍情況下，精密無(wú)縫鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行正火、回火等一些特殊的工藝處理，以消除殘余應(yīng)力。但在很多情況下，由于熱處理技術(shù)的偏差、后續(xù)矯直等工序控制程度的差異和變化，無(wú)縫鋼管尤其是高鋼級(jí)無(wú)縫鋼管仍存在少量的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，但在外力作用下將對(duì)鉆桿的性能產(chǎn)生一定的影響，如加工后螺紋變形等，也可能影響材料的抗疲勞性能及抗沖擊性能，導(dǎo)致鉆桿過(guò)早或非正常失效。因此，當(dāng)前有必要對(duì)繩索取心鉆桿用管材的殘余應(yīng)力進(jìn)行綜合分析，探索經(jīng)濟(jì)可行的檢測(cè)方式和降低鉆桿管材殘余應(yīng)力的技術(shù)措施。

1 金屬材料的殘余應(yīng)力

1．1 殘余應(yīng)力的分類(lèi)

金屬材料在經(jīng)過(guò)各種冷、熱加工成形時(shí)，將承受外力和熱作用。而當(dāng)加工結(jié)束，外界作用因素消除后，零件內(nèi)部仍會(huì)在整體或局部范圍內(nèi)保留一定的內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力，或稱殘留應(yīng)力。殘余應(yīng)力是一種固有應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)是隨材料性能、產(chǎn)生條件等的不同而不同。殘余應(yīng)力的分類(lèi)一般是以其保持平衡的范圍大小來(lái)區(qū)分的。

第一類(lèi):宏觀殘余應(yīng)力，指在零件整體內(nèi)或宏觀范圍內(nèi)達(dá)到平衡的殘余應(yīng)力。它的大小、方向和性能等可用通常的物理或機(jī)械方法進(jìn)行測(cè)量。

第二類(lèi):微觀殘余應(yīng)力，指在零件內(nèi)數(shù)個(gè)晶粒范圍內(nèi)達(dá)到平衡的殘余應(yīng)力(如塑性變形后晶間應(yīng)力、相間應(yīng)力等)。

第三類(lèi):超微觀殘余應(yīng)力，指在零件中大量原子面、原子列附近達(dá)到平衡的殘余應(yīng)力(如晶格中的各種缺陷)。

由于第二、三類(lèi)殘余應(yīng)力對(duì)零件質(zhì)量和性能的影響尚無(wú)明確結(jié)論和明顯作用，也沒(méi)有應(yīng)用其解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的實(shí)例，根據(jù)需要和測(cè)試技術(shù)條件，本文只測(cè)試和分析第一類(lèi)殘余應(yīng)力。

1．2 宏觀殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

宏觀殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，大致有以下3種情況。

(1)不均勻塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這是構(gòu)件在冷、熱加工過(guò)程中最常出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。當(dāng)零件承受復(fù)雜載荷(如擠壓、拉拔、冷軋及表面噴丸、滾壓等)作用時(shí)，截面上受力不均勻，受力大的地方可能產(chǎn)生塑性變形，而受力小的地方可能仍是彈性變形。卸載后，拉伸了的部位受壓縮應(yīng)力的作用，與之相鄰的部位受拉伸應(yīng)力的作用;壓縮了的部位受到拉伸應(yīng)力作用，其相鄰的部位就受到壓縮應(yīng)力的作用。

(2)熱作用產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)引起的熱效應(yīng)應(yīng)力，又稱為熱應(yīng)力。零件加熱、冷卻時(shí)因溫度不均勻必然造成溫度高處熱膨脹量大，溫度低處熱膨脹量小，因此相互之間就會(huì)產(chǎn)生作用力，這就是瞬態(tài)熱應(yīng)力。在不同數(shù)值瞬態(tài)熱應(yīng)力作用下，若某些區(qū)域應(yīng)力值超過(guò)該處高溫屈服極限，就會(huì)在此產(chǎn)生塑性變形;由于溫度的不均勻，所以此時(shí)的塑形變形也可能是不均勻的。當(dāng)加熱過(guò)程結(jié)束時(shí)，因加熱過(guò)程中的不均勻塑性變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。若瞬態(tài)熱應(yīng)力不產(chǎn)生不均勻塑性變形，則冷卻后應(yīng)無(wú)殘余應(yīng)力。

(3)熱作用產(chǎn)生的相變或因相變而無(wú)法析出引起的體積變化，其不均勻性程度若造成了不均勻的塑性變形，零件的全截面相變結(jié)束后會(huì)存在相變殘余應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的影響分析

2．1 殘余應(yīng)力對(duì)零件的力學(xué)性能的影響

殘余應(yīng)力只是作為預(yù)應(yīng)力施加在零件上，不會(huì)改變零件的組織狀態(tài)，因此對(duì)零件的抗拉強(qiáng)度影響很小，而對(duì)零件的屈服強(qiáng)度產(chǎn)生影響。一般情況下，殘余壓應(yīng)力使屈服強(qiáng)度上升、硬度上升、伸長(zhǎng)率下降;殘余拉應(yīng)力使屈服強(qiáng)度下降、硬度下降、伸長(zhǎng)率上升。

殘余應(yīng)力對(duì)動(dòng)載荷下零件的疲勞強(qiáng)度有一定的影響。在拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變載荷下，疲勞裂紋萌生在零件截面上最大拉應(yīng)力處，而多數(shù)情況下是在零件表面層。因此，當(dāng)在零件表面層存在一個(gè)殘余壓應(yīng)力層時(shí)，將增大疲勞裂紋的極限裂紋深度和降低裂紋擴(kuò)展速度，延長(zhǎng)裂紋萌生期，從而可提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命。相反，當(dāng)在零件表面層存在一個(gè)殘余拉應(yīng)力層時(shí)，則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。同時(shí)零件表面層的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響不僅與其數(shù)值大小有關(guān)，還與其在交變載荷下的衰減速度有關(guān);而這又與材料以及產(chǎn)生殘余應(yīng)力的方式有關(guān)。這也證明了對(duì)高碳鋼或合金鋼的表面強(qiáng)化可以大大提高疲勞強(qiáng)度。

較大的殘余應(yīng)力還可能提高金屬化學(xué)活性，在殘余拉應(yīng)力作用下容易造成金屬材料晶間腐蝕破裂，即發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

2．2 殘余應(yīng)力對(duì)零件變形開(kāi)裂的影響

零件中處于殘余壓應(yīng)力的區(qū)域必然產(chǎn)生壓縮彈性變形，而處于殘余拉應(yīng)力的區(qū)域必然產(chǎn)生拉伸彈性變形。這種不同分布的彈性變形，使得零件的形狀和尺寸產(chǎn)生偏差。如果殘余應(yīng)力的分布是對(duì)稱的，產(chǎn)生的變形也是對(duì)稱的。由于熱處理零件形狀的不規(guī)則、壁厚的不一致、冷卻的不均勻等，均會(huì)造成殘余應(yīng)力分布的不均勻，造成變形的不均勻，產(chǎn)生零件的扭曲、翹曲等不規(guī)則變形。

當(dāng)零件中存在材質(zhì)不均勻、組織缺陷、微裂紋時(shí)，該區(qū)域的殘余拉應(yīng)力會(huì)惡化這些缺陷，最終使裂紋擴(kuò)展到整個(gè)截面，導(dǎo)致零件報(bào)廢。

3 繩索取心鉆桿用管材的殘余應(yīng)力

根據(jù)上述殘余應(yīng)力的理論，針對(duì)繩索取心鉆桿用管材的制造工藝流程，認(rèn)定無(wú)縫鋼管產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工序過(guò)程包括:鋼管生產(chǎn)過(guò)程中所有熱、冷加工工序，如穿孔工序、軋管工序、冷拔工序、冷軋工序、熱處理工序等均會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力;成品管的矯直工序也會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

冷拔無(wú)縫鋼管的尺寸精度、直線度、金相組織均好于熱軋無(wú)縫鋼管。因此，國(guó)內(nèi)外的繩索取心鉆桿用管材多使用冷拔無(wú)縫鋼管。對(duì)于深孔繩索取心鉆探，由于其綜合性能要求更高，目前全部采用高精度的冷拔無(wú)縫鋼管制造。因此，本文僅分析冷拔無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力。

用于繩索取心鉆探的冷拔無(wú)縫鋼管成品均須進(jìn)行正火熱處理。正火熱處理是對(duì)材料的重新奧氏體化的加熱、保溫、冷卻過(guò)程，該工序較高的加熱溫度將會(huì)消除之前的熱加工、冷加工所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。但正火熱處理后的管材還會(huì)形成一定的殘余應(yīng)力，對(duì)此專門(mén)進(jìn)行了實(shí)物檢測(cè)。

繩索取心鉆探對(duì)鉆桿用管材的直線度有較高的要求(要求不超過(guò)1∶1000)，因此所有成品無(wú)縫鋼管都必須進(jìn)行矯直處理。無(wú)縫鋼管的矯直工序是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，在矯直過(guò)程中鋼管經(jīng)過(guò)反復(fù)扭曲、壓扁、拉伸，多次發(fā)生彈性與塑性變形。經(jīng)過(guò)矯直后，鋼管環(huán)向受到循環(huán)拉伸和壓縮作用，環(huán)向殘余應(yīng)力大于徑向及軸向殘余應(yīng)力，且環(huán)向殘余應(yīng)力近似呈對(duì)稱分布。矯直后鋼管的外表面是殘余拉應(yīng)力，而其內(nèi)表面是殘余壓應(yīng)力;殘余應(yīng)力沿矯直輥接觸鋼管的區(qū)域呈螺旋帶狀分布于鋼管的表面。通常，鋼管矯直后的殘余應(yīng)力與矯直壓下量和矯直溫度有關(guān);且無(wú)縫鋼管的彈性模量(或鋼級(jí))越高，其矯直后殘余應(yīng)力越大。

高性能要求的深孔鉆探的繩索取心鉆桿用管材，需進(jìn)行調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)熱處理，由于是經(jīng)過(guò)高溫回火，只要回火溫度較高，保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)，一般認(rèn)為可以消除此調(diào)質(zhì)工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。對(duì)此也專門(mén)進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證。

4 繩索取心鉆桿管材殘余應(yīng)力的測(cè)定

殘余應(yīng)力的測(cè)定方法有2類(lèi):一類(lèi)為應(yīng)力釋放法，也稱為機(jī)械法(包括電測(cè)法)，它包括切條法、鉆孔法等;另一類(lèi)為無(wú)損測(cè)定法，又稱為物理法，是利用殘余應(yīng)力對(duì)零件的物理性能的影響來(lái)測(cè)定應(yīng)力的，包括X射線法、磁性法、超聲波法。根據(jù)冷拔無(wú)縫鋼管的實(shí)物形態(tài)，以及存在的殘余應(yīng)力的區(qū)域、大小、方向等，鋼管殘余應(yīng)力的測(cè)量方法主要采用:X射線衍射法和環(huán)切法。前者只能得到鋼管外表面深度在10 μm范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力;后者可得到鋼管整個(gè)管環(huán)的綜合殘余應(yīng)力。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，確定采用環(huán)切法來(lái)測(cè)量計(jì)算繩索取心鉆桿用管材的殘余應(yīng)力σr?！妒秃吞烊粴夤I(yè)套管、油管、鉆桿和用作套管或油管的管線管性能公式及計(jì)算》(GB/T 20657—2011/ISO/TR 10400:2007)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)殘余應(yīng)力的計(jì)算公式如下:

式中:E——管材的彈性模量，E=2．069×105MPa;t——鋼管的平均壁厚，mm;D0——開(kāi)縫前的鋼管外徑平均值，mm;Df——開(kāi)縫后的鋼管外徑平均值，mm;v——材料的泊松比，取 v=0．28。

(注:該殘余應(yīng)力的計(jì)算公式滿足條件是環(huán)切的鋼管長(zhǎng)度不小于鋼管外徑的2倍。)

5 地質(zhì)鉆探冷拔無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力檢測(cè)情況

5．1 正火狀態(tài)下的冷拔管材殘余應(yīng)力

首先對(duì)繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管經(jīng)過(guò)正火熱處理后矯直前的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，正火狀態(tài)下管材的殘余應(yīng)力數(shù)值十分微小。

5．2 矯直后的冷拔管材殘余應(yīng)力

冷拔無(wú)縫鋼管矯直時(shí)一般都采用冷矯直方式，一些研究資料表明，其矯直后的殘余應(yīng)力與矯直時(shí)壓下量有很大關(guān)系，而矯直時(shí)需調(diào)整的壓下量與鋼管矯直前的彎曲度大小、整支鋼管的力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度)的均勻性、鋼管通長(zhǎng)范圍內(nèi)的尺寸均勻性有直接的關(guān)系。據(jù)此選用了地質(zhì)鉆探用管材中薄壁彈性大、強(qiáng)度高、矯直難度大的77 mm×3．5 mm和73 mm×3．75 mm兩種規(guī)格的鋼管進(jìn)行環(huán)切法測(cè)量其殘余應(yīng)力大小。矯直后測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

表1 正火狀態(tài)下的冷拔管材殘余應(yīng)力

表2 45MnMoB(77 mm×3．5 mm)無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力(1)

表2 45MnMoB(77 mm×3．5 mm)無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力(1)

說(shuō)明:序號(hào)1—8中，采用正火熱處理(屈服強(qiáng)度630 MPa，抗拉強(qiáng)度850 MPa);序號(hào)9—12中，采用退火熱處理(屈服強(qiáng)度590 MPa，抗拉強(qiáng)度790 MPa)。

序號(hào) 管材制造工序狀態(tài)殘余應(yīng)力/MPa 1矯直前鋼管的平均壁厚/mm切前的鋼管外徑平均值/mm切后的鋼管外徑平均值/mm 3．56 77．10 77．99 59．1 3．55 77．09 77．10 0．7 2 矯直前 3．56 77．07 77．09 1．3 3 矯直第一遍后直的 3．55 77．09 78．19 72．7 4 矯直第一遍后直的 3．56 77．07 78．18 73．6 5 經(jīng)過(guò)第二遍矯直后直的 3．55 77．09 78．38 85．1 6 經(jīng)過(guò)第二遍矯直后直的 3．56 77．07 78．39 87．3 7 經(jīng)過(guò)第三遍矯直后直的 3．55 77．09 80．23 202．3 8 經(jīng)過(guò)第三遍矯直后直的 3．56 77．07 80．25 205．5 9 矯直前 3．55 77．05 77．04 0 10 矯直前 3．56 77．10 77．08 0 11 矯直第一遍后直的 3．55 77．05 77．97 61．0 12矯直第一遍后直的

表3 45MnMoB(73×3．75mm)無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力(2)

表3 45MnMoB(73×3．75mm)無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力(2)

說(shuō)明:采用正火熱處理(屈服強(qiáng)度620 MPa，抗拉強(qiáng)度840 MPa)。

序號(hào) 管材制造工序狀態(tài)殘余應(yīng)力/MPa 1矯直前鋼管的平均壁厚/mm切前的鋼管外徑平均值/mm切后的鋼管外徑平均值/mm 3．79 73．11 73．10 0 2 矯直前 3．77 73．13 73．15 1．6 3 矯直第一遍后直的 3．79 73．11 74．00 70．0 4 矯直第一遍后直的 3．77 73．13 73．95 64．2 5 經(jīng)過(guò)第二遍矯直后直的 3．79 73．18 74．25 83．8 6 經(jīng)過(guò)第二遍矯直后直的 3．77 73．17 74．22 81．8 7 經(jīng)過(guò)第三遍矯直后直的 3．79 73．20 76．05 217．8 8經(jīng)過(guò)第三遍矯直后直的3．77 73．21 76．07 217．3

通過(guò)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論:

(1)矯直后的鋼管存在的殘余應(yīng)力大小與管材本身的強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，殘余應(yīng)力也相應(yīng)較大;

(2)第二遍矯直后比第一遍矯直后的殘余應(yīng)力有所增加，但第三遍矯直后的殘余應(yīng)力明顯增加很多;

(3)管材矯直前的條件不好(較彎、整支鋼管的力學(xué)性能不均勻、鋼管通長(zhǎng)范圍內(nèi)的尺寸不均勻)導(dǎo)致矯直時(shí)的壓下量大，其變形程度增大，從而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

5．3 調(diào)質(zhì)后的冷拔管材殘余應(yīng)力

對(duì)用于深孔鉆探的繩索取心鉆桿用管材，在進(jìn)行了調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)熱處理后，對(duì)其中一些鋼級(jí)規(guī)格的管材在矯直前取樣，測(cè)試計(jì)算了相應(yīng)的殘余應(yīng)力。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從表4可知，XJY850調(diào)質(zhì)管材的殘余應(yīng)力低于30CrMnSiA的調(diào)質(zhì)管材，這主要是XJY850調(diào)質(zhì)管材的回火溫度高于30CrMnSiA的調(diào)質(zhì)管材。鋼管制造企業(yè)必須認(rèn)識(shí)到殘余應(yīng)力將會(huì)對(duì)鉆桿的非正常損壞帶來(lái)影響，因此，在材料的選擇上盡可能選用碳當(dāng)量偏中等的合金鋼，從而確保調(diào)質(zhì)工藝中回火溫度≥600℃，同時(shí)還要采取足夠長(zhǎng)的回火保溫時(shí)間，以盡可能消除應(yīng)力。經(jīng)過(guò)此工藝后的調(diào)質(zhì)鉆桿用管材存在的殘余應(yīng)力將會(huì)很小。

5．4 改進(jìn)工藝后的冷拔管材殘余應(yīng)力

根據(jù)上述殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，在制造繩索取心鉆桿用管材時(shí)，應(yīng)盡可能地改善鋼管矯直前的條件。如:努力提高管材的壁厚均勻度、確保成品管熱處理時(shí)的保溫與冷卻的均勻性、通過(guò)模具或輔助設(shè)施提高冷、熱加工后的直線度等多方面的要求。同時(shí)還要控制鋼管的矯直遍數(shù)。這些方法可將管材的殘余應(yīng)力控制在較低的范圍內(nèi)，且此較低的殘余應(yīng)力對(duì)管材的強(qiáng)度影響很低。表5為一些管材改善了矯直條件后，經(jīng)過(guò)二次矯直后直的鋼管存在的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。

表5 改進(jìn)工藝后的冷拔管材殘余應(yīng)力

5．5 冷拔管材殘余應(yīng)力對(duì)管材強(qiáng)度的影響

有關(guān)文獻(xiàn)資料表明，材料中存在較高的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。但從上述數(shù)據(jù)中很難判斷出管材中存在較低的殘余應(yīng)力時(shí)對(duì)材料的基本力學(xué)性能有多大的影響。

表6 冷拔管材殘余應(yīng)力對(duì)管材強(qiáng)度的影響

用于進(jìn)行上述殘余應(yīng)力測(cè)試計(jì)算用的鋼管實(shí)物均符合“環(huán)切的鋼管長(zhǎng)度不小于鋼管外徑的2倍”的要求。在分析時(shí)為了線切割方便，對(duì)此段鋼管進(jìn)行了完全剖開(kāi)，因此，上述檢測(cè)鋼管剖開(kāi)后外徑變化值所計(jì)算出來(lái)的殘余應(yīng)力至少是《GB/T 20657—2011/ISO/TR 10400:2007》標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)殘余應(yīng)力的公式所要求條件下(切一條縫)的2倍，檢測(cè)方法嚴(yán)于API標(biāo)準(zhǔn)要求。典型管材殘余應(yīng)力的試驗(yàn)用試樣照片見(jiàn)圖1。

6 降低繩索取心鉆探管材殘余應(yīng)力的措施

圖1 繩索取心鉆桿用管材的殘余應(yīng)力檢測(cè)試樣

根據(jù)以上理論分析和實(shí)物測(cè)試證明，繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管的殘余應(yīng)力，主要與鋼管矯直變形程度有關(guān)。為了降低管材的殘余應(yīng)力，必須為矯直前的鋼管提供較好的外部條件。即通過(guò)在冷拔鋼管生產(chǎn)制造中使用先進(jìn)的裝備、工藝和嚴(yán)格的工序管理控制，提高管材的壁厚均勻度，保證成品管熱處理時(shí)的保溫及冷卻的均勻性;通過(guò)一些輔助設(shè)施，提高冷、熱加工后的直線度(待矯直的鋼管總彎度≯100 mm/通長(zhǎng))等。而有關(guān)在350～500℃條件下的熱矯直工藝通常只適用于熱軋無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)。

用于深孔鉆探的繩索取心鉆桿用管材，因需進(jìn)行調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)熱處理，鋼管制造企業(yè)應(yīng)重視殘余應(yīng)力的影響，盡可能選擇碳當(dāng)量偏中等的合金鋼，確保調(diào)質(zhì)工藝中回火溫度≥600℃，同時(shí)應(yīng)采取足夠長(zhǎng)的回火保溫時(shí)間。管材由在線調(diào)質(zhì)(非井式爐)處理時(shí)，鋼管在大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)下螺旋前進(jìn)，確保調(diào)質(zhì)后鋼管的直線度尤為重要，較小的彎曲和均勻的材料硬度，將為其后進(jìn)行冷矯直提供了有利條件，達(dá)到較小殘余應(yīng)力的效果。

國(guó)外有的繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管對(duì)殘余應(yīng)力的技術(shù)要求有相應(yīng)規(guī)定:屈服強(qiáng)度≥600 MPa、抗拉強(qiáng)度≥700 MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥15%(試樣標(biāo)距50 mm、寬度12 mm)、周向殘余應(yīng)力≤65 MPa;再參照國(guó)內(nèi)外石油鉆探用管材對(duì)殘余應(yīng)力的指標(biāo)要求，考慮到管材殘余應(yīng)力存在的實(shí)際情況，筆者建議對(duì)普通或高強(qiáng)度的繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管的周向殘余應(yīng)力按《石油和天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和用作套管或油管的管線管性能公式及計(jì)算》(GB/T 20657—2011/ISO/TR 10400:2007)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試計(jì)算的值不應(yīng)超過(guò)該管材規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的10%范圍控制，此建議可作為生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，建議生產(chǎn)企業(yè)對(duì)繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管的矯直次數(shù)不宜超過(guò)2遍;矯直2遍后仍無(wú)法達(dá)到直線度要求的管材，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行正火熱處理或重新回火后再矯直。經(jīng)過(guò)2次重新正火熱處理或多次重新回火后仍無(wú)法矯直的鋼管，應(yīng)當(dāng)作不合格品報(bào)廢處理。只要在理論上理解了管材殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、影響因素，繼而在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行控制，完全可以有效地控制殘余應(yīng)力的大小與影響。

7 認(rèn)識(shí)和建議

(1)采用環(huán)切法對(duì)不同熱處理和矯直工藝的冷拔繩索取心管材制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行的檢測(cè)比對(duì)說(shuō)明，冷拔管材制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是存在的，并且差異加大，因而測(cè)試是必要的。

(2)鉆桿桿體的殘余應(yīng)力越小，鉆桿性能越優(yōu)異。檢測(cè)比對(duì)及相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步證明，冷拔管材制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是可控的，只要制造工藝措施得當(dāng)，可以將高鋼級(jí)合金管材的殘余應(yīng)力控制在可接受范圍;因此，合格管材出廠時(shí)存在較高殘余應(yīng)力造成的鉆桿折斷等事故較為罕見(jiàn)。

(3)有理由認(rèn)為繩索取心鉆桿用管材的殘余應(yīng)力、鉆桿接頭螺紋部位的應(yīng)力集中、鉆探施工中產(chǎn)生的非正常應(yīng)力等是繩索取心鉆桿非正常損壞的誘因之一。

(4)在鉆桿制造加工環(huán)節(jié)中，對(duì)于鉆桿的螺紋加工形成的應(yīng)力集中，亦應(yīng)引起高度重視。應(yīng)提高鉆桿加工精度、增加螺紋倒角、圓角的過(guò)渡半徑，避免由于螺紋設(shè)計(jì)、螺紋加工刀具、螺紋加工時(shí)一次進(jìn)刀量過(guò)大、以及螺紋的粗糙度而引起的螺紋部位應(yīng)力集中。

(5)在繩索取心鉆桿使用中，由于鉆孔結(jié)構(gòu)不合理或鉆探施工操作不當(dāng)，鉆桿承受的載荷超出鉆桿材料的屈服強(qiáng)度。鉆桿在彎曲應(yīng)力、交變應(yīng)力的多重作用下內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。如N規(guī)格繩索取心鉆桿在108 mm×5．5 mm套管下鉆進(jìn)所承受的彎曲應(yīng)力是在89 mm×5 mm套管下鉆進(jìn)時(shí)的3．25倍;此情況往往造成鉆桿折斷頻繁。

(6)繩索取心鉆桿材料的應(yīng)力問(wèn)題，希望能得到地質(zhì)勘探行業(yè)的上下游合作單位相關(guān)技術(shù)人員的重視。今后，應(yīng)關(guān)注不同殘余應(yīng)力的管材疲勞特性、腐蝕特性的差別;關(guān)注使用后，特別是偏磨和不均勻磨損后和高應(yīng)力條件下的管材特性變化。只有盡可能減少或避免取心鉆桿材料產(chǎn)生的非正常(失效)應(yīng)力，才能充分發(fā)揮我國(guó)在近幾年完善和提高的鉆探技術(shù)新產(chǎn)品的作用，確保中深孔的鉆探效率，推進(jìn)我國(guó)繩索取心鉆探技術(shù)進(jìn)步。

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