S135钻杆摩擦焊焊缝区冲击韧性低的原因

杨晓峰, 高斌强, 吕海英

(上海海隆石油钻具有限公司, 上海 200949)

石油钻杆是一种油田钻井工具，是石油钻柱的主要组成部分，钻井过程中起着连接钻柱、输送泥浆和传递扭矩等作用，工作时承受压缩、拉伸、扭转、弯曲等复杂载荷，并经受强烈的振动和冲击作用[1-3]。目前石油钻杆均是由钻杆接头和管体经摩擦焊焊接而成，焊接后对焊缝区进行局部调质热处理。研究发现，钻杆焊缝区的低应力脆性断裂现象最为常见，焊缝区成为整个钻杆的薄弱区域，因此控制焊缝区的力学性能是保证钻杆质量的关键，而冲击韧性是判断钻杆焊缝区力学性能的关键指标[4-6]。某公司根据API SPEC 5DP：2009SpecificationforDrillPipe采用摩擦焊工艺生产了一批规格为φ168.30 mm×15.88 mm、钢级为S135的PSL-3级别的钻杆，生产后对焊缝区进行力学性能抽检时发现3个钻杆的焊缝区冲击试样韧性低，不符合要求。为找到冲击韧性低的原因，笔者对其进行了一系列检验和分析。

1 冲击试验及结果

按照API SPEC 5DP：2009的要求,随机取一个钻杆抽检该批钻杆焊缝区的冲击韧性，沿焊缝区纵向取3个尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，该组试样编号为A1，试验温度为-20 ℃，按照ASTM E23：2018StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials的技术要求，使用 JBN-300型摆锤式冲击试验机进行夏比V形缺口冲击试验，结果见表 1。

表1 A1组试样的冲击韧性Tab.1 Impact toughness of A1 group samples

由表1可见，焊缝区的冲击韧性很低，不符合API SPEC 5DP:2009的要求。根据API SPEC 5DP：2009的要求，在同一试样上复取两组冲击试样进行试验，两组冲击试样分别编号为A2和A3，结果见表2。

表2 A2和A3组试样的冲击韧性Tab.2 Impact toughness of A2 and A3 group samples

从试验过程来看，试验方法与试验设备相同，试验温度均为-20 ℃，A1组试样与复取A2，A3两组试样冲击功基本相同，排除与其他试样混淆的因素，对试样加工尺寸及V形缺口进行检查也符合ASTM E23：2018的要求，因此冲击试验本身并无问题。

从表1，2中可以看出，3组试样冲击功基本相同，均为20 J左右，剪切断面率为10%，A1组冲击试样断口宏观形貌见图1，可见断口整体较为平坦、光亮，具有脆性断裂特征，断口边缘有少量剪切唇。

图1 A1组冲击试样断口宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of A1 group impact samples

2 理化检验及结果

2.1 拉伸试验

按照API SPEC 5DP:2009的技术要求，在同一钻杆焊缝上取直径为12.5 mm的圆棒拉伸试样，按照ASTM E8/E8M:2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技术要求，采用WAW-600型电液伺服万能试验机进行拉伸试验，结果见表3，可见焊缝区拉伸性能符合API SPEC 5DP：2009的要求，属正常控制范围，无异常。

表3 焊缝的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of welding seam

2.2 硬度试验

按照API SPEC 5DP：2009的技术要求，沿钻杆焊缝区取纵向全截面硬度试样，在两侧热影响区按照ASTM E18：2019StandardTestMethodsforRockwellHardnessofMetallicMaterials的要求进行洛氏硬度试验，结果见表4，可知钻杆焊缝区硬度符合API SPEC 5DP：2009的要求。

表4 热影响区硬度Tab.4 Hardness of heat affected zone HRC

2.3 横向侧弯试验

根据API SPEC 5DP：2009的技术要求对焊缝区进行横向侧弯试验，取长度为200 mm、宽度为9.5 mm的两个全壁厚试样，采用38.1 mm的弯芯进行横向侧弯试验，试样在顺时针和逆时针的两翼弯曲形成角度不大于40°时，均无裂纹，符合标准的要求。

2.4 金相检验

按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》和GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》的技术要求，垂直于焊缝取2个纵截面金相试样，采用GX51型金相显微镜对试样进行观察，结果见图2。可见钻杆接头侧、管体侧的显微组织主要为回火索氏体+少量铁素体，且均不存在未回火马氏体及粗大的过热组织。钻杆接头侧、管体侧的晶粒度等级均为9.0级，高于内控标准7.0级。

图2 焊缝区显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of welding seam zone:a) microstructure of drill pipe joint side; b) grain morphology of drill pipe joint side; c) microstructure of pipe side; d) grain morphology of pipe side

2.5 非金属夹杂物检验

按照ASTM E45:2018的技术要求垂直于焊缝取纵截面试样，采用GX51型金相显微镜进行非金属夹杂物检验，结果见图3和表5。可见钻杆接头侧和焊缝区A类非金属夹杂物含量较多，焊缝区评级为1.5级，接头侧评级为2.0级。

图3 焊缝试样不同位置的非金属夹杂物形貌Fig.3 Non-metallic inclusion morphology in different positions of welding seam sample:a) welding seam zone; b) joint side; c) pipe side

表5 焊缝试样不同位置的非金属夹杂物检验结果Tab.5 Inspection results of non-metallic inclusions indifferent positions of welding seam sample

2.6 化学成分分析

按照ASTM A751：2014aStandardTestMethods,Practices,andTerminologyforChemicalAnalysisofSteelProducts的要求对钻杆接头及管体进行化学成分分析，结果见表6。由表6可知,钻杆接头硫元素含量超过API SPEC 5DP：2009的要求值，质量分数为0.016%。

表6 焊缝不同位置的化学成分(质量分数)Tab.6 Chemical compositions at different positions ofwelding seam (mass fraction) %

2.7 扫描电镜及能谱分析

对A1组其中一个冲击试样断口进行扫描电镜(SEM)分析，图4为冲击试样断口的SEM形貌。由图4a)和图4b)可见，断口呈密集沟壑状；由图4c)可见,有些沟壑里及细小韧窝里面存在细小的块状黑色物质，局部平面上存在大量块状的黑色物质，个别长条黑色块状物质长达100 mm。对这些黑色块状物质进行能谱(EDS)分析，结果见图5。可见黑色块状物质主要组成元素为硫、锰和铁，其质量分数分别为35.43%，36.88%，17.82%，其余元素为碳、钙、铬，可以推断该黑色块状物质为FeS和MnS混合夹杂物。

图4 冲击试样断口不同位置的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of impact sample fracture at different positions:a) initiation zone; b) extended zone at low magnification; c) extended zone at high magnification

图5 冲击试样断口黑色块状物质EDS分析结果Fig.5 EDS analysis results of black block substance on fracture of impact sample

3 冲击韧性低的原因分析

该批钻杆焊缝试样除冲击韧性不合格，其余力学性能均符合API SPEC 5DP：2009的要求。焊缝两侧显微组织为回火索氏体+少量铁素体，不存在未回火马氏体和粗大的过热组织，焊缝区存在较多的A类非金属夹杂物，细系达到1.5级。管体材料磷、硫含量较低，非金属夹杂物等级也较低，但是钻杆接头材料的硫元素含量超标，质量分数为0.016%，A类非金属夹杂物粗系达到2.0级且含量较多。通过对焊缝冲击试样断口宏观及微观分析可以判断，断口处存在较多的FeS和MnS混合非金属夹杂物。由于冲击试样断口处A类非金属夹杂物含量多，破坏了焊缝区组织的连续性，非金属夹杂物的塑性、弹性与钢材的有很大差别，非金属夹杂物无法与钢材同步塑性变形，因而在非金属夹杂物周围产生越来越大的应力集中，形成了弱结合面，受到冲击力时，弱结合面处先产生裂纹，最终裂纹在焊接结合面上扩展而导致试样断裂，因此试样焊缝区的非金属夹杂物含量多会使冲击韧性大大降低[7-9]。钻杆接头材料里的硫元素生成于冶炼过程，大部分硫元素成群聚集于枝晶晶界形成硫化物，热轧管过程中的硫化物易于变形，往往呈细长纺锤形伸展分布在带状组织中，造成钢材的各向异性。摩擦焊时钻杆接头和管体在高温、高压环境下进行焊接，随着焊接面金属的塑性流动，改变了硫化物原分布方向，由原平行于钻杆接头轴线方向变为平行于焊缝方向，即垂直于轴线方向，故硫化物沿焊缝分布。

该焊缝试样由于焊缝区A类非金属夹杂物含量多，破坏了组织的连续性，导致冲击韧性不符合API SPEC 5DP：2009的要求，但是抗拉强度却达到880 MPa。相关研究显示，试样在受拉应力时，拉应力垂直于焊缝结合面，均匀的分布在整个焊缝结合面上，因此非金属夹杂物产生的裂纹扩展速度较缓慢[10-11]，但是试样受冲击力时，焊缝结合面处受不均匀的剪切应力，由非金属夹杂物形成的裂纹扩展速度较快。因此，非金属夹杂物形成的弱结合缺陷对焊缝试样拉伸强度影响不大，但是对焊缝试样的冲击韧性影响很大。

4 结论及建议

(1) 钻杆焊缝区冲击韧性低，不符合API SPEC 5DP：2009的要求，是由于焊缝区A类非金属夹杂物含量多，破坏了组织的连续性，受到冲击力时，缺陷的弱结合面处先产生裂纹，裂纹快速扩展最终导致试样断裂。

(2) 钻杆接头材料硫元素含量高，A类非金属夹杂物级别高、含量多，是焊缝区产生较多A类非金属夹杂物缺陷的主要原因。

(3) 焊缝区非金属夹杂物形成的弱结合缺陷对拉伸强度影响不大，但是对焊缝试样的冲击韧性影响很大。

(4) 建议钻杆接头入厂增加非金属夹杂物检验，确保钻杆接头材料纯净度符合要求，从而保证钻杆摩擦焊焊缝区性能符合标准要求。