BG27CrMoV 地質鉆探管橫向開裂原因分析

馬燕楠，孫 文

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

地質鉆探管是用于地質鉆探的管材，在鉆探作業中會接觸到包括巖石、土壤、泥漿、地下水等在內的復雜環境介質［1-2］。工程上對地質鉆探管的性能要求通常包括高強度、高耐磨性、一定的韌性等。地質鉆探管常見的失效原因主要有：部分材質管材內壁形成硬脆的馬氏體帶，導致管材作業中脆性開裂；管材外壁由于耐磨性不足，受到巖石劃傷，導致局部應力集中，裂紋擴展而開裂；管材強度不足，遇到堅硬的巖石層時，鉆機施加的載荷過大，導致管材螺紋連接處甚至管體過載而開裂。通過對27CrMoV 材質地質鉆探管橫向裂紋的分析，揭示了地質鉆探管的另一種失效形式，對地質鉆探管的產品研發和用戶使用有一定的參考意義。

1 基本情況

寶山鋼鐵股份有限公司供某公司BG27CrMoV材質非開挖地質鉆探管，規格Φ76 mm×9.8 mm，用戶在非開挖作業過程中在管材上發現一條橫向裂紋（圖1a），長度約50 mm，已經貫穿整個壁厚。裂紋沿管體橫向并非呈直線狀態，在裂紋中間有一個錯位小臺階，推測可能與鉆桿在作業過程中的扭轉受力狀態有關。對管體外壁裂紋周圍進行宏觀觀察，未發現有外折疊等軋制缺陷及磕碰、撞擊凹坑等痕跡。裂紋從管體外壁至內壁均一般粗細。對裂紋對應的管體內壁位置進行觀察，發現有大片疑似腐蝕產物存在（圖1b）。該地質鉆探管的主要加工工藝為：熱軋管→端部加厚→水淬調質→鏜孔及加工螺紋。

2 分析過程

2.1 使用工況

非開挖作業是一種不開挖地面，在地層結構破壞極小的情況下，穿越河流、湖泊及重要建筑物，實現對供水、天然氣等公用管線鋪設與更換的施工技術。非開挖鉆桿是非開挖技術進行施工的基本構件之一，負責連接鉆機與鉆具，實現兩者間的動力傳遞。非開挖作業過程中，鉆具的鉆進、回退、變向等動作的實現都需要通過鉆桿傳遞來自鉆機的力；鉆機也需要通過鉆桿的拉壓和轉動將軸向力和扭矩傳遞到鉆具。在施工過程中，鉆桿要承受壓縮、拉伸、扭轉、彎曲等各種復雜的交變應力［3-4］。同時，鉆探泥漿中溶解的O2、CO2、H2S 及C1-等腐蝕介質也會對鉆桿造成腐蝕破壞。

27CrMoV 材質地質鉆探管主要應用于市政管道非開挖作業，作業深度約地下15 m，鉆機把鉆壓和扭矩通過鉆桿傳遞給鉆頭，以實現連續進給，鉆桿承受鉆機進給力、孔壁摩擦力合成的縱向壓力、鉆桿公轉產生的離心力以及扭矩的聯合作用［5］。取失效鉆探管工作環境中的泥漿進行分析，發現其中含有少量H2S，含量約20 mg/m3。

2.2 管材材質

BG27CrMoV 為中碳Cr-Mo-V 體系合金調質鋼，通過元素C、Mn、Cr、Mo、V 的合理搭配，輔以恰當的調質熱處理工藝，保證材料屈服強度≥900 MPa 的同時，還具有優異的延伸率與沖擊韌性。該材料主要用于替代傳統碳鋼，應用于要求良好強韌性的機械結構件等場景，并非抗硫材料，不適用于含H2S 環境。

2.3 理化性能檢驗

2.3.1 化學成分

從失效管上取樣進行光譜化學成分分析，化學成分分析結果見表1。該失效管化學成分均在內控范圍之內，未見異常。

表1 BG27CrMoV 失效管化學成分（質量分數） %

2.3.2 力學性能檢測

在失效管上取樣進行拉伸沖擊性能分析，拉伸試樣為縱向，標距寬度為12.5 mm，標距長度75 mm；夏比V 型缺口沖擊試樣為橫向，尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為0 ℃。BG27CrMoV 地質鉆探管缺陷樣管力學性能測試結果見表2，樣管的屈服強度、抗拉強度、0 ℃沖擊功均處于正常水平。

表2 BG27CrMoV 地質鉆探管缺陷樣管力學性能

2.3.3 金相組織及均勻性

在失效管上取樣進行金相組織分析，如圖2 所示，組織為均勻的回火索氏體，未見未溶鐵素體、貝氏體等異常組織。

圖2 BG27CrMoV 地質鉆探管失效管中心位置金相組織

為了辨別該缺陷是否由于鋼管淬火不良形成的局部軟點或其他異常組織造成，在缺陷樣管上截取硬度環，分別測試該硬度環四個象限的外壁、中心、內壁洛氏硬度HRC 分布情況，以間接表征鋼管截面的組織均勻性。結果見表3。從表3 可見，失效管外壁及中心沿周向硬度分布較為均勻，極差分別為1.8 HRC 和1.9 HRC；內壁沿周向硬度波動稍大，極差為3.2 HRC。從硬度結果看，未見明顯異常，可初步排除由于組織不均勻造成該缺陷的可能性。

表3 BG27CrMoV 地質鉆探管失效管硬度環試驗結果

2.3.4 夾雜物

在失效管正常位置截取試樣，參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢測法》進行夾雜物分析，金相形貌如圖3 所示。在試樣上未發現異常長條或粗大夾雜物。由于夾雜物具有脆性特征，因此異常粗大的夾雜物在使用過程中極易成為應力集中點進而誘發裂紋，而在失效管上則沒有發現。評級結果顯示該產品的夾雜物控制水平非常好，A、B、C、Ds 四類夾雜物均為0 級，D 類環狀氧化物類夾雜為細系1 級。

2.3.5 裂紋形貌

磨制金相樣后對裂紋形貌進行觀察（圖4a），發現缺陷裂紋貫穿整個內外壁，裂紋寬度約165 μm。內壁側裂紋方向垂直于內表面，外壁側裂紋方向與外表面成斜角度。在該貫穿裂紋附近還可見另一細小裂紋，該裂紋同樣垂直于內表面，裂紋深入管體深度約1 017 μm?？沙醪脚袛?，裂紋從內壁首先啟裂，隨后在扭矩作用下向外壁擴展，并與外壁成斜向分布。在裂紋兩側可見次生二次裂紋。裂紋周圍均未見灰色氧化產物及二次氧化顆粒。在貫穿裂紋及細小裂紋（圖4b）兩側均未見脫碳現象。另外，裂紋附近的偏析帶未見變形。觀察細小裂紋可發現，該裂紋具有沿晶開裂特征。

圖4 BG27CrMoV 地質鉆探管缺陷裂紋微觀形貌

氧化與脫碳特征是用來判斷鋼鐵材料失效原因的重要依據：①鋼管管坯加熱過程溫度很高且爐內保溫時間很長，如果管坯存在原始缺陷，管坯在隨后的變形軋制過程中，缺陷將發生變形延伸，在最終成品鋼管上的裂紋周圍將會產生非常嚴重的脫碳和氧化現象［6-8］；②加熱后的管坯通過制管工序軋制成鋼管，毛管和荒管在制管工序受到高溫，雖然時間很短，但如果在制管工序產生缺陷，在最終成品鋼管上的裂紋周圍仍將產生一定程度的脫碳和氧化［9］。而在BG27CrMoV 失效管上，裂紋兩側沒有脫碳、灰色氧化產物及二次氧化顆粒的特征，說明裂紋與管坯原始缺陷和制管過程沒有關系。

由于連鑄坯凝固過程的特性，導致管坯通常會在中心位置出現顯著的成分偏析，在軋制成鋼管后，相對應的會在鋼管的內壁出現帶狀組織［10-13］。帶狀組織所呈現出的流線是用來判斷鋼管是否發生塑性變形的一個重要標志。失效管裂紋附近的黑色偏析帶沒有明顯的塑性變形流線，說明該裂紋的生成與塑性變形無關。

裂紋形貌也是鑒別裂紋產生原因的一個重要特征。失效管上的裂紋垂直于內壁，裂紋筆直而剛勁有力，且在裂紋的兩側存在二次裂紋，從形貌判斷，該裂紋符合脆性開裂的特征。鋼管在制管過程中產生的軋制裂紋通常與鋼管表面成斜角度，且裂紋兩側會產生一定的氧化和脫碳現象；鋼管在熱處理過程中產生的淬火裂紋具有脆性開裂的特征，通常垂直于管體表面，裂紋呈現出剛勁有力的特征，淬火裂紋通常產生于250 ℃以下，裂紋兩側不會產生脫碳，但在500～700 ℃的回火過程中會產生一定的氧化［14］；鋼管的應力腐蝕開裂在使用過程中產生，裂紋兩側不會產生脫碳及氧化現象，裂紋通常呈脆性特征，且有一定的樹枝狀分叉［15］。失效管上的裂紋呈脆性開裂特征，裂紋垂直于管體表面，且裂紋兩側沒有氧化及脫碳現象，主裂紋附近有二次裂紋延伸，符合應力腐蝕開裂的特征。

2.3.6 腐蝕產物

因為在失效管內壁發現有腐蝕產物，采用X 射線衍射儀對腐蝕產物組成進行分析，結果如圖5 所示?？梢钥闯?，裂紋對應內壁位置腐蝕產物組成［16］為：54.8%（Mg0.03Ca0.97）（CO3）+13.2%Fe2.9O4+13.8%Fe2O3+10.2%SiO2+8%FeS。其中，FeS 是硫致應力腐蝕的產物。

圖5 BG27CrMoV 管裂紋對應內壁附近腐蝕產物分析

3 討論與結論

從上述分析過程可以看出該失效管的化學成分、強度與沖擊韌性、金相組織及其均勻性、夾雜物控制水平均較好。分析裂紋金相組織可發現，裂紋兩側基體上未見脫碳、灰色氧化產物及二次氧化顆粒的痕跡，可判定裂紋與管坯自帶缺陷、制管過程中產生的缺陷無關。觀察裂紋形貌特征可發現，內壁側裂紋方向垂直于內表面，外壁側裂紋方向與外表面成斜角度。在該貫穿裂紋附近還可見另一細小裂紋，該裂紋同樣垂直于內表面，從該特征可以初步判定裂紋自管體內壁首先啟裂。對裂紋附近的金相組織進行觀察，發現裂紋附近的偏析帶組織未見變形，說明裂紋并非由于塑性變形產生。觀察細小裂紋還可以發現，該裂紋具有沿晶脆性開裂特征。通過對管體內壁的腐蝕產物進行組成分析，發現其中含有8%FeS，而FeS 是硫致應力腐蝕的產物。此外，對泥漿進行的化學成分分析也確認其中含有少量的H2S。綜上，結合失效鉆探桿使用環境、裂紋形貌特征和腐蝕產物組成分析，判斷該橫向裂紋應為硫化物作用下產生的應力腐蝕所致。

硫化物應力腐蝕常見于油氣開采用管材的失效，而在地質鉆探管的失效中則比較少見。通過本案例的分析，可以看到，當地質鉆探管所接觸的水質、泥漿、地層中含有一定量的硫化物時，地質鉆探管同樣可能發生硫化物應力腐蝕開裂。本研究可為地質鉆探管的產品研發及使用人員提供參考。