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钻杆是钻井的主要工具,在钻井过程中承受着弯曲、拉压、扭转等复杂载荷的作用,易于发生疲劳破坏。同时钻井液和环境中的腐蚀性介质(如NaCl、H2S等)容易使钻杆发生腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂等。由于钻杆失效而导致的经济损失和人员伤亡难以估计,因此开展钻杆用钢的疲劳定量规律及断裂机理研究,对于延长钻杆的使用寿命,减少钻井事故的发生具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文采用光学显微镜、透射电镜和力学性能测试的方法研究了低碳高强钻杆钢(G105、S135)的显微组织以及复相化处理对中碳高强钻杆钢S135显微组织和力学性能的影响。结果表明:对低碳高强钻杆钢而言,G105钢级钻杆的显微组织为典型的回火索氏体,即细小等轴铁素体+颗粒状渗碳体,S135钢级钻杆为回火屈氏体,即保持马氏体形态的铁素体+细小碳化物。在760-800℃温度范围,采用亚温淬火的热处理工艺对中碳高强钻杆钢S135进行复相化处理,可获得铁素体+马氏体的双相组织;随着复相化温度的升高,马氏体体积分数增加,铁素体体积分数减少,材料的强度升高,韧性下降;当复相组织中马氏体相对含量为15-20％,即复相化处理温度为750℃,S135钻杆钢的冲击功与原材料的冲击功相近,而强度提高了约15％。 本研究针对钻杆常见的疲劳失效形式,系统深入地研究了钻杆钢的单轴疲劳、拉扭复合疲劳、腐蚀疲劳,并总结了其疲劳损伤的一般规律,为钻杆钢的疲劳损伤估算提供了依据。获得了中碳高强钻杆钢 S135的单轴疲劳寿命表达式:在对称拉-压加载下,28N f?4.64?10(Sa?577.9)?,疲劳极限为577.9MPa;在扭转加载下,28N f?1.66?10(?a?393.9)?,疲劳极限为393.9MPa。建立了中碳高强钻杆钢S135的拉扭复合加载疲劳预测模型。在比例拉扭复合加载时,权值k?0.092;在90°非比例拉扭复合加载时,敏感性系数?=0.263;获得了低碳高强钻杆钢S135在3.5％NaCl和H2S溶液中的疲劳寿命表达式;获得了低碳高强钻杆钢G105在H2S溶液中的疲劳寿命表达式;在腐蚀环境中,钻杆钢的疲劳强度显著降低;在H2S溶液中,S135钻杆钢的腐蚀疲劳敏感性大于G105钻杆钢。疲劳断裂机制分析表明:光滑试样的疲劳裂纹萌生于试样表面。对称拉-压疲劳试样的裂纹扩展以疲劳条带为主;扭转疲劳试样的裂纹扩展以剪切型涟波花样为主;比例拉扭复合加载试样的裂纹扩展以疲劳条带和涟波花样为主;90°非比例拉扭复合加载试样的裂纹扩展以撕裂棱和解理平面为主;在3.5％NaCl溶液中,疲劳源萌生于试样表面的腐蚀坑,并沿晶界向前扩展,在裂纹稳定扩展区形成疲劳条带和解理平面;在H2S溶液中,疲劳源萌生于试样表面,在裂纹稳定扩展区以氢脆断裂为主要特征。基于疲劳裂纹扩展的塑变-复锐-钝化模型,获得了低碳高强钻杆钢 S135在近门槛区的疲劳裂纹扩展的寿命表达式;基于腐蚀疲劳裂纹扩展的腐蚀-钝化-断裂模型,获得了低碳高强钻杆钢S135在H2S溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展的寿命表达式。断口分析表明:在空气中,稳定扩展区的裂纹扩展特征为疲劳条带+少量解理断裂;在H2S溶液中,稳定扩展区的裂纹扩展为解理台阶+沿晶开裂。采用慢应变速率拉伸实验研究了低碳高强钻杆钢(G105、S135)在H2S溶液中的应力腐蚀开裂行为。结果表明:在H2S溶液中,两种钻杆钢都存在明显的SSCC现象,且S135钻杆钢的SSCC敏感性大于G105;两种钻杆钢在H2S溶液中的SSCC机理属于氢脆。