S135钻杆钢的拉扭复合加载疲劳行为

雒设计，赵 康，王 荣

（1西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048；2西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065）

钻杆是石油、天然气开采和地质勘探中的重要结构件，也是石油钻柱的主要构件。国内外油田均发生过大量的钻杆过早断裂事故［1－3］，造成巨大经济损失。中国石油天然气管材研究所对近10年来的钻具断裂案例进行分析后，发现其中85%以上的案例属于低应力脆断、疲劳或腐蚀疲劳。在钻杆钻进过程中，钻杆主要承受弯矩、扭矩、轴向应力以及内外压力作用，是典型复合或多轴载荷，其中大部分是变动的，具有疲劳载荷的性质。除此之外，还受到温度和环境介质的影响，服役条件非常苛刻，经常导致钻杆的损伤和失效，所以，钻杆的过早失效主要是由疲劳、腐蚀疲劳引起的［2－4］。

由于井眼的弯曲，形成“狗腿”，或水平井钻进，钻杆在旋转过程中通过“狗腿”产生弯曲，钻杆不仅承受拉伸－压缩载荷，还要承受扭矩的作用，产生疲劳损伤［5，6］。失效分析表明：钻杆的宏观断口呈现台阶状，裂纹形成后的扩展偏离钻杆轴线的垂直方向［7］。因此，钻杆的疲劳目前被认为是Ⅰ－Ⅲ型复合加载引起的［8，9］。

本工作通过疲劳实验测定了S135钻杆钢光滑试样在拉扭复合加载下的疲劳寿命，应用回归分析方法获得了S135钻杆钢的疲劳寿命曲线，并对断裂试样的断口进行了宏观和微观分析。

1 实验材料与方法

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σt0.7＝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φ＝5mm的圆棒疲劳试样，如图2所示。

拉扭疲劳实验在 PLD－50KN－250NM 型拉－扭电液伺服疲劳试验机上进行，采用对称加载，即加载的拉应力比Rσ＝－1，加载的切应力比Rτ＝－1，且为同相比例加载，相位角为0°，加载的τa／σeq＝0.7［10，11］，加载频率为3Hz，加载波形为三角波，实验环境为实验室大气。

拉扭疲劳断裂试样的断口在JSM6390A型扫描电镜（SEM）上进行观察和分析，以鉴别疲劳断裂的微观机制。

2 实验结果与分析

2.1 拉扭疲劳寿命与S－N曲线

图3为τa／σeq＝0.7时，拉扭复合加载下疲劳断裂寿命随拉压应力幅值的变化关系。可见，随着拉压应力幅值的降低，疲劳寿命呈明显的升高趋势。当拉压应力幅值降低到约550MPa时，疲劳寿命超过105循环次数，随着拉压应力幅水平的降低，疲劳寿命显著延长，呈现疲劳极限的特征。当拉压应力幅值降低到500MPa以下时，疲劳寿命接近107循环次数，趋于无限寿命。

图3 拉扭疲劳实验结果和拟合曲线Fig.3 Testing results and fitting curve of tension－torsion fatigue lives

文献［12］基于应变疲劳理论，给出了全寿命范围对称循环应力疲劳寿命公式：

式中：Sa为循环应力幅；A为应力疲劳抗力系数；Sc为理论应力疲劳极限。当Sa＞Sc时，为有限疲劳寿命；当Sa≤Sc时，疲劳寿命趋于无限。

在拉扭复合加载疲劳实验时，有效应力是控制疲劳寿命的主要因素，可合理地用有效应力幅σeq和拉扭复合加载疲劳极限（σeq）c分别替代式（1）中的Sa和Sc，得到拉扭复合加载疲劳全寿命公式：

式中：A″为拉扭复合加载疲劳抗力系数。当σeq＞（σeq）c时，为有限拉扭复合加载疲劳寿命；σeq≤（σeq）c时，拉扭复合疲劳寿命趋于无限，所以（σeq）c可称为理论拉扭复合加载疲劳极限。

等效应力幅σeq可按式（3）计算［12，13］：

式中：Δσ，σmax和R分别为疲劳实验加载的应力范围、最大应力和应力比。

对式（2）两边取对数可得：

在lgNf－lg［σeq－（σeq）c］双对数坐标中，式（4）代表一条斜率为－2的直线。利用尾差法原理，编制一个线性回归计算机程序，在斜率为－2±0.004的条件下可求得拉扭复合加载疲劳抗力系数A″和理论拉扭复合加载疲劳极限（σeq）c。应该指出，采用拟合方法所得到的理论疲劳极限与GB／T 3075－2008中规定的采用升降法所获得的疲劳极限有所差别，拟合方法所获得的理论疲劳极限略低于升降法所获得的疲劳极限［12］。

按以上方法，回归分析了S135钻杆钢拉扭复合加载疲劳寿命的实验结果，回归分析结果列于表1。

表1 S135钻杆钢拉扭复合加载疲劳寿命回归分析结果Table 1 Fitting results of fatigue test under combined axial and torsional loading for S135drill pipe steel

应用相关系数检验表明，拉扭复合加载疲劳回归分析的线性相关系数｜r｜＝0.9773，大于99%置信度对应的起码值0.798。因此，式（1）可很好地用来描述S135钻杆钢拉扭复合加载疲劳寿命的一般规律。将表1中的疲劳抗力系数A″和拉扭复合加载疲劳极限σeq值代入式（1）中可得到拉扭疲劳寿命的具体公式：

将式（5）的曲线画在图3中。可见，实验结果与拟合曲线吻合良好。故应用式（2）可很好地描述拉扭复合加载疲劳寿命的一般规律。因此，只要知道钻杆结构承受的外力，就可以应用式（5）来计算构件的疲劳损伤。

2.2 拉扭疲劳断裂特征

图4为不同应力幅值下拉扭疲劳断裂试样的宏观断口形貌。可见，断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速瞬断区三个部分组成，且疲劳源由于承受反复的拉压及扭转载荷的作用而呈现灰黑色，各区域所占比例的大小随应力幅值的变化而改变。在拉扭复合加载下，试样呈脆性断裂，断口无明显的塑性变形，且不是一个平整的表面，高低不平。在扭矩产生的剪切应力作用下，断面与试样轴向大致呈45°，疲劳裂纹从试样表面形成，向试样内部扩展，且常为多疲劳源，不同疲劳源断口的连接和复合加载的作用形成所谓的“屋脊”状特征。

图4 不同应力幅值下拉扭疲劳宏观断口形貌 （a）σeq＝560.5MPa；（b）σeq＝611.5MPa；（c）σeq＝713.4MPaFig.4 Macroscopic morphologies of fatigue fracture under combined axial and torsional loading at different stress amplitudes（a）σeq＝560.5MPa；（b）σeq＝611.5MPa；（c）σeq＝713.4MPa

图5为不同应力幅值下拉扭疲劳断裂试样裂纹源区的断口形貌。可见，疲劳裂纹萌生于材料表面或靠近表面的位置。由于疲劳源区是最早生成的断口，在该区域内疲劳裂纹的扩展速率缓慢，裂纹反复张开闭合引起匹配断口表面的摩擦，通常需要经过多次循环才能形成，因此疲劳源区的断口通常比扩展区和瞬断区更平坦光滑。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，随着应力幅值的增加，河流花样减少并出现擦伤痕迹。在该区域内观察不到疲劳条带，而且加载应力越大，这个区域的面积就越小。

图6为不同应力幅值下拉扭疲劳断裂试样裂纹稳定扩展区的断口形貌。可见，在裂纹稳定扩展区以穿晶断裂为主要特征。当拉应力幅σeq＝560.5MPa时，裂纹为穿晶断裂，在断口中可观察到疲劳条带，疲劳条带与裂纹扩展方向垂直，断裂表面出现了明显的二次裂纹，与主裂纹呈一定角度。当拉应力幅σeq＝611.5MPa时，裂纹也为穿晶断裂，断口表面由一些平行的条纹构成，条纹方向与裂纹扩展方向基本垂直，条纹边界不像疲劳条带那样明锐，排列也不如疲劳条带规则，断口表面呈明显的涟波状花样，断口上没有观察到疲劳条带。涟波状花样区域的大小与应力幅水平有关，随着应力半幅的增加，涟波状花样区域增加。

3 结论

（1）当切应力幅与拉压应力幅的比值为0.7时，由拉扭应力幅对应的当量应力表示的拉扭疲劳寿命公式Nf＝4.40×108（σeq－499.0）－2可很好地描述S135钻杆钢的拉扭疲劳寿命变化规律。

（2）在拉扭复合加载下，疲劳裂纹从试样表面形成，向试样内部扩展，且常为多疲劳源，不同疲劳源断口的连接和复合加载形成所谓的“屋脊”状特征。

（3）拉扭疲劳断口在裂纹源区的微观断口形貌特征为断口表面呈明显河流状花样，在裂纹扩展区的微观断口形貌特征为疲劳条带与涟波状花样。

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