腐蚀疲劳断口分析.doc

课程设计（论文）学 院(系) 材料科学与工程学院 专 业 金属材料工程 班 级： 金材02 学生姓名： 李 佳 典 指导教师： 雒 设 计 所在单位 西安石油大学 完成时间:201年月 1． 引言 2 2. 钻杆钢 2 2.1 钻杆钢的分类及应用 2 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 2 3. 实验方法 3 3.1 实验材料的选用 3 3.2 断口的制备和保存及注意事项 4 4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析 4 4.1 宏观断口形貌特征分析 5 4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析 6 4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析 7 5. 结果分析 8 5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素 8 6. 结论 8 参考文献 9 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，用于连接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。, 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; 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, 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 。M n 含量较高，而Cr、Ni、Mo, 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%，＝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＝