摘要
由于在内流道孔与T形槽底间存在穿透裂纹，造成某盖板式随钻测井仪器在井下作业时发生内部泄漏事故。通过对穿透裂纹形貌分析来确定裂纹的起源位置，再依靠断口宏观分析、断口微观分析来确定穿透裂纹产生的原因，最后通过有限元分析对该种类仪器进行结构优化以提高使用寿命。分析结果表明：灌浆事故是由于在T形槽底边存在较大应力集中且存有切削刀痕进而导致产生疲劳穿透裂纹引起的，裂纹起源于槽底通孔两侧，通过优化槽底边圆角等措施可达到改善应力分布目的。
随钻测井仪器用于水平井、U形水平井和丛式井等复杂结构井中，极大提高了钻井效率。但由于随钻测井仪器在井下工作时环境恶劣、承受复杂载荷，因此常发生失效事故，比如断裂、泄漏
盖板式随钻测井仪器是在钻铤外壁上开设若干槽腔，槽腔包含盖板槽、电路板槽、T形槽，盖板槽用于与盖板配合密封，电路板槽用于装配电路板、传感器等，电路板槽底内设有T形槽用于放置电路板等的导线，钻铤中间为流经泥浆的内流道孔，见
图1 钻铤结构及尺寸
Fig.1 Structure and size of the drill collar
某种随钻测井仪器（钻铤材料号牌15-15HS MAX）现场作业时，测量数值始终不变，重新开关泵、切换模式后故障依旧。起钻出井后卸开仪器，发现仪器内部已被灌浆，泥浆充满电路板等密封区域。
该仪器已累计作业29井次，循环时间1635.61 h，纯钻时间1128.67 h，累计进尺12403 m。本次钻探时间43 h，进尺455 m。钻井液排量1800~1900 L/min，钻压40~60 kN，泵压10~12 MPa，扭矩6~8 kN·m。本次钻井工况均在正常范围内。
仪器返回车间后排查泄漏事故原因，当采用循环泵向内流道孔用清水打压3 MPa时，水由T形槽底处刺漏，见
图2 T形槽底处刺漏
Fig.2 Leakage at the T-groove bottom
将T形槽部位进行线切割，采用扫描电镜（SEM）观察穿透裂纹的T形槽底侧和内流道孔侧，以此判断穿透裂纹的起源位
穿透裂纹T形槽底侧的SEM像见
图3 穿透裂纹T形槽底侧的SEM像
Fig.3 SEM image of the penetrating crack in
the T‑groove bottom
穿透裂纹内流道侧的SEM像见
图4 穿透裂纹内流道侧的SEM像
Fig.4 SEM image of the penetrating the crack in
the internal channel
通过穿透裂纹在T形槽底侧和内流道孔侧的形态分析，可确定穿透裂纹起源于T形槽底侧，然后裂纹逐渐延伸扩展至内流道面，且在内流道侧呈断续裂纹。
穿透裂纹产生原因的分析即分析穿透裂纹在T形槽侧起源的原因，采用的分析方法有理化性能分析、材料腐蚀性试验、显微组织分析、断口宏观分析、断口微观分
在该仪器钻铤取样，选择ASTM A751-14a试验标准，采用直读光谱仪分析化学成分，化学成分如
| 样品编号 | 15-15HS MAX | 技术要求 |
|---|---|---|
| Cr | 19.03 | 18~21 |
| Mn | 17.72 | 16~19 |
| N | 0.50 | 0.5~0.8 |
| Mo | 0.751 | 0.5~3.0 |
| Ni | 1.91 | <3.4 |
| C | 0.0228 | <0.04 |
在该仪器上截取3块材料加工成标准拉伸试验样件，选择ASTM A370-19e1试验标准，采用双立柱万能试验机进行拉伸试验，试验结果见
| 样品编号 | 直径×标注/mm | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率A/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Ø12.5×50 | 1063.8 | 1171.4 | 21.9 |
| 2 | 12.5×50 | 1065.9 | 1121.9 | 28.1 |
| 3 | 12.5×50 | 1062.7 | 1182.7 | 26.8 |
| 最低技术要求 | ≥965 | ≥1034 | ≥20 | |
在该仪器管体横向和纵向取样，选择ASTMA370-19e1试验标准，采用PSW750 摆锤冲击试验机试验，试验结果见
| 样品编号 | 规格/mm | 缺口类型 | 试验温度/ | 吸收能量/J | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 单个值 | ||||||
| 1515-横向 | 10x10x15 | V | 21 | 160.7 | 164 | 175.1 |
| 1515-纵向 | 10x10x15 | V | 21 | 202.3 | 276.3 | 196.6 |
| 技术要求 | 10x10x15 | V | 21 | ≥81 | ||
在该仪器管体横向取样，选择ASTMA370-19e1试验标准，采用R547洛氏硬度计试验，试验结果见
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 平均值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 38.8 | 38.3 | 38.8 | 38.7 | 37.5 | 37.5 | 36.8 | 36.0 | 36.2 | 37.6 |
| 技术要求 | 37.5~45.5 | ||||||||
依据ASTMA-262方法A，试验溶液100 g H2C2O4·2H2O+去离子水900 mL，室温下开展晶间腐蚀敏感性试验。试验结果在奥氏体晶界上观察到大量铬的碳化物和腐蚀沟槽，见
图5 晶界上聚积的碳化铬相
Fig.5 Accumulation of the chromium carbide phase on the grain boundary
图6 显微组织及能谱分析结果
Fig.6 Microscopic structure and energy spectrum analysis results
通过化学成分分析、拉伸试验、夏比冲击试验、硬度试验来检验钻铤材料性能，结果显示材料各项性能指标基本合格。15-15HS MAX不锈钢材料有较高的晶间腐蚀敏感性，浸蚀组织分级处于二级、三级之间，晶粒边界有碳化铬析出相和大量沟槽，但没有形成完全环绕晶粒的沟槽。为进一步探究穿透裂纹产生的原因，对断口进行宏观和微观分
沿T形槽径向掰开穿透裂纹，未经清洗的局部断口颜色较深，有明显的氧化和腐蚀痕迹，见
图7 T形槽底裂纹掰开后的断口
Fig.7 Fracture of the T‑groove bottom crack
after breaking
在扫描电镜（SEM）下观察疲劳源区，疲劳源呈线源多源起始，线源分布在导线通孔边一处疲劳台阶的两侧，即通孔两侧的槽底应力集中的直角边上，且该位置具有明显的放射棱线和加工刀痕；同时个别部位存在密集的点蚀坑，点蚀坑附近有明显的疲劳条带，见
图8 断口疲劳源区
Fig.8 Fatigue source zone of the fracture
观察疲劳扩展区，在疲劳弧线密集的区域均可观察微观脆性疲劳条带和疲劳二次裂纹，有些区域的疲劳条带或二次裂纹的扩展间距很小（<0.5 μm），见
图9 脆性疲劳条带或二次裂纹
Fig.9 Brittle fatigue strip or secondary cracks
图10 疲劳扩展上的腐蚀泥纹花样及能谱成分分析
Fig.10 Corroded mud pattern on fatigue spread and energy spectrum composition analysis
穿透裂纹由疲劳引起，疲劳源多起始于T形槽底部无倒角的较高应力集中处，且源区附近有明显的加工刀痕。疲劳条带间距均匀细密（通常在1 μm以内），说明钻铤在工作中除了需承受高强度的拉压、弯折、扭转等交变载荷外，还叠加有高频率的振动应
在井下作业时，穿透裂纹的产生也会受材料强度、特种工艺等影响。高强度材料因其屈服强度、抗拉强度等指标高，相较于低强度材料不易产生穿透裂纹；喷丸、滚压等特种工艺能将拉应力变为压应力，从而减少穿透裂纹的产生。在实际生产中，可通过更换更高强度不锈钢材料（如P750）或对截面大圆角处滚压和喷丸处理以提高钻铤疲劳寿命。
为进一步分析仪器工况载荷下的强度及应力分布情况，对产生裂纹部位结构的应力集中情况利用Solidworks Simulation软件进行有限元仿真分
选择的仪器材料牌号为15-15HS MAX，密度为7800 kg/
| （1） |
经换算可得15-15HS MAX不锈钢真实极限应力为1438 MPa，真实极限应变0.22。
根据仪器服役工况施加载荷及约束，选取载荷工况中对泄漏部位影响最大的载荷形式（弯扭组合）进行计算，仪器所受压力为200 kN，弯矩为每100 ft（30.48 m）弯曲12°，扭矩为20 kN·m。
在仪器上端面（A）施加固定约束，在仪器下端面上分别施加轴向压力载荷200 kN，扭矩20 kN·m，以及弯曲载荷（每100 ft弯曲12°），其中弯曲载荷通过施加x方向（垂直于槽底部）位移来控制，两种模型均选用相同约束与载荷（见
图12 约束与载荷
Fig.12 Constraints and loads
通过材料检测、内外观察和有限元分析，可以得出如下结论：
（1）某盖板式随钻仪器泄漏事故由T形槽底孔边产生疲劳局部穿透裂纹引起，裂纹起源于槽底通孔两侧。同时在井下承受复杂交变载荷及高频振动最终导致穿透裂纹的产生。
（2）T形槽底部存在很大的应力集中且有加工刀痕，通过优化设计、增加槽底的喷丸强化处理工艺、使连接处形成压应力、提高机械加工质量与精度等措施，能改善此处的应力分布状态并降低应力集中水平。
（3）钻铤15-15HS MAX 不锈钢材料的化学成分整体合格，但主要元素氮含量偏合格指标的下限，一定程度上降低了材料耐点蚀、晶间腐蚀的性能。
（4）T形槽底应进行圆滑过渡和增加一定倒角，当倒圆角为4 mm时能有效降低槽底的应力水平，降幅近20%。
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