BG27CrMoV 地质钻探管横向开裂原因分析

马燕楠，孙 文

（宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

地质钻探管是用于地质钻探的管材，在钻探作业中会接触到包括岩石、土壤、泥浆、地下水等在内的复杂环境介质［1-2］。工程上对地质钻探管的性能要求通常包括高强度、高耐磨性、一定的韧性等。地质钻探管常见的失效原因主要有：部分材质管材内壁形成硬脆的马氏体带，导致管材作业中脆性开裂；管材外壁由于耐磨性不足，受到岩石划伤，导致局部应力集中，裂纹扩展而开裂；管材强度不足，遇到坚硬的岩石层时，钻机施加的载荷过大，导致管材螺纹连接处甚至管体过载而开裂。通过对27CrMoV 材质地质钻探管横向裂纹的分析，揭示了地质钻探管的另一种失效形式，对地质钻探管的产品研发和用户使用有一定的参考意义。

1 基本情况

宝山钢铁股份有限公司供某公司BG27CrMoV材质非开挖地质钻探管，规格Φ76 mm×9.8 mm，用户在非开挖作业过程中在管材上发现一条横向裂纹（图1a），长度约50 mm，已经贯穿整个壁厚。裂纹沿管体横向并非呈直线状态，在裂纹中间有一个错位小台阶，推测可能与钻杆在作业过程中的扭转受力状态有关。对管体外壁裂纹周围进行宏观观察，未发现有外折叠等轧制缺陷及磕碰、撞击凹坑等痕迹。裂纹从管体外壁至内壁均一般粗细。对裂纹对应的管体内壁位置进行观察，发现有大片疑似腐蚀产物存在（图1b）。该地质钻探管的主要加工工艺为：热轧管→端部加厚→水淬调质→镗孔及加工螺纹。

2 分析过程

2.1 使用工况

非开挖作业是一种不开挖地面，在地层结构破坏极小的情况下，穿越河流、湖泊及重要建筑物，实现对供水、天然气等公用管线铺设与更换的施工技术。非开挖钻杆是非开挖技术进行施工的基本构件之一，负责连接钻机与钻具，实现两者间的动力传递。非开挖作业过程中，钻具的钻进、回退、变向等动作的实现都需要通过钻杆传递来自钻机的力；钻机也需要通过钻杆的拉压和转动将轴向力和扭矩传递到钻具。在施工过程中，钻杆要承受压缩、拉伸、扭转、弯曲等各种复杂的交变应力［3-4］。同时，钻探泥浆中溶解的O2、CO2、H2S 及C1-等腐蚀介质也会对钻杆造成腐蚀破坏。

27CrMoV 材质地质钻探管主要应用于市政管道非开挖作业，作业深度约地下15 m，钻机把钻压和扭矩通过钻杆传递给钻头，以实现连续进给，钻杆承受钻机进给力、孔壁摩擦力合成的纵向压力、钻杆公转产生的离心力以及扭矩的联合作用［5］。取失效钻探管工作环境中的泥浆进行分析，发现其中含有少量H2S，含量约20 mg/m3。

2.2 管材材质

BG27CrMoV 为中碳Cr-Mo-V 体系合金调质钢，通过元素C、Mn、Cr、Mo、V 的合理搭配，辅以恰当的调质热处理工艺，保证材料屈服强度≥900 MPa 的同时，还具有优异的延伸率与冲击韧性。该材料主要用于替代传统碳钢，应用于要求良好强韧性的机械结构件等场景，并非抗硫材料，不适用于含H2S 环境。

2.3 理化性能检验

2.3.1 化学成分

从失效管上取样进行光谱化学成分分析，化学成分分析结果见表1。该失效管化学成分均在内控范围之内，未见异常。

表1 BG27CrMoV 失效管化学成分（质量分数） %

2.3.2 力学性能检测

在失效管上取样进行拉伸冲击性能分析，拉伸试样为纵向，标距宽度为12.5 mm，标距长度75 mm；夏比V 型缺口冲击试样为横向，尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm，试验温度为0 ℃。BG27CrMoV 地质钻探管缺陷样管力学性能测试结果见表2，样管的屈服强度、抗拉强度、0 ℃冲击功均处于正常水平。

表2 BG27CrMoV 地质钻探管缺陷样管力学性能

2.3.3 金相组织及均匀性

在失效管上取样进行金相组织分析，如图2 所示，组织为均匀的回火索氏体，未见未溶铁素体、贝氏体等异常组织。

图2 BG27CrMoV 地质钻探管失效管中心位置金相组织

为了辨别该缺陷是否由于钢管淬火不良形成的局部软点或其他异常组织造成，在缺陷样管上截取硬度环，分别测试该硬度环四个象限的外壁、中心、内壁洛氏硬度HRC 分布情况，以间接表征钢管截面的组织均匀性。结果见表3。从表3 可见，失效管外壁及中心沿周向硬度分布较为均匀，极差分别为1.8 HRC 和1.9 HRC；内壁沿周向硬度波动稍大，极差为3.2 HRC。从硬度结果看，未见明显异常，可初步排除由于组织不均匀造成该缺陷的可能性。

表3 BG27CrMoV 地质钻探管失效管硬度环试验结果

2.3.4 夹杂物

在失效管正常位置截取试样，参照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检测法》进行夹杂物分析，金相形貌如图3 所示。在试样上未发现异常长条或粗大夹杂物。由于夹杂物具有脆性特征，因此异常粗大的夹杂物在使用过程中极易成为应力集中点进而诱发裂纹，而在失效管上则没有发现。评级结果显示该产品的夹杂物控制水平非常好，A、B、C、Ds 四类夹杂物均为0 级，D 类环状氧化物类夹杂为细系1 级。

2.3.5 裂纹形貌

磨制金相样后对裂纹形貌进行观察（图4a），发现缺陷裂纹贯穿整个内外壁，裂纹宽度约165 μm。内壁侧裂纹方向垂直于内表面，外壁侧裂纹方向与外表面成斜角度。在该贯穿裂纹附近还可见另一细小裂纹，该裂纹同样垂直于内表面，裂纹深入管体深度约1 017 μm。可初步判断，裂纹从内壁首先启裂，随后在扭矩作用下向外壁扩展，并与外壁成斜向分布。在裂纹两侧可见次生二次裂纹。裂纹周围均未见灰色氧化产物及二次氧化颗粒。在贯穿裂纹及细小裂纹（图4b）两侧均未见脱碳现象。另外，裂纹附近的偏析带未见变形。观察细小裂纹可发现，该裂纹具有沿晶开裂特征。

图4 BG27CrMoV 地质钻探管缺陷裂纹微观形貌

氧化与脱碳特征是用来判断钢铁材料失效原因的重要依据：①钢管管坯加热过程温度很高且炉内保温时间很长，如果管坯存在原始缺陷，管坯在随后的变形轧制过程中，缺陷将发生变形延伸，在最终成品钢管上的裂纹周围将会产生非常严重的脱碳和氧化现象［6-8］；②加热后的管坯通过制管工序轧制成钢管，毛管和荒管在制管工序受到高温，虽然时间很短，但如果在制管工序产生缺陷，在最终成品钢管上的裂纹周围仍将产生一定程度的脱碳和氧化［9］。而在BG27CrMoV 失效管上，裂纹两侧没有脱碳、灰色氧化产物及二次氧化颗粒的特征，说明裂纹与管坯原始缺陷和制管过程没有关系。

由于连铸坯凝固过程的特性，导致管坯通常会在中心位置出现显著的成分偏析，在轧制成钢管后，相对应的会在钢管的内壁出现带状组织［10-13］。带状组织所呈现出的流线是用来判断钢管是否发生塑性变形的一个重要标志。失效管裂纹附近的黑色偏析带没有明显的塑性变形流线，说明该裂纹的生成与塑性变形无关。

裂纹形貌也是鉴别裂纹产生原因的一个重要特征。失效管上的裂纹垂直于内壁，裂纹笔直而刚劲有力，且在裂纹的两侧存在二次裂纹，从形貌判断，该裂纹符合脆性开裂的特征。钢管在制管过程中产生的轧制裂纹通常与钢管表面成斜角度，且裂纹两侧会产生一定的氧化和脱碳现象；钢管在热处理过程中产生的淬火裂纹具有脆性开裂的特征，通常垂直于管体表面，裂纹呈现出刚劲有力的特征，淬火裂纹通常产生于250 ℃以下，裂纹两侧不会产生脱碳，但在500～700 ℃的回火过程中会产生一定的氧化［14］；钢管的应力腐蚀开裂在使用过程中产生，裂纹两侧不会产生脱碳及氧化现象，裂纹通常呈脆性特征，且有一定的树枝状分叉［15］。失效管上的裂纹呈脆性开裂特征，裂纹垂直于管体表面，且裂纹两侧没有氧化及脱碳现象，主裂纹附近有二次裂纹延伸，符合应力腐蚀开裂的特征。

2.3.6 腐蚀产物

因为在失效管内壁发现有腐蚀产物，采用X 射线衍射仪对腐蚀产物组成进行分析，结果如图5 所示。可以看出，裂纹对应内壁位置腐蚀产物组成［16］为：54.8%（Mg0.03Ca0.97）（CO3）+13.2%Fe2.9O4+13.8%Fe2O3+10.2%SiO2+8%FeS。其中，FeS 是硫致应力腐蚀的产物。

图5 BG27CrMoV 管裂纹对应内壁附近腐蚀产物分析

3 讨论与结论

从上述分析过程可以看出该失效管的化学成分、强度与冲击韧性、金相组织及其均匀性、夹杂物控制水平均较好。分析裂纹金相组织可发现，裂纹两侧基体上未见脱碳、灰色氧化产物及二次氧化颗粒的痕迹，可判定裂纹与管坯自带缺陷、制管过程中产生的缺陷无关。观察裂纹形貌特征可发现，内壁侧裂纹方向垂直于内表面，外壁侧裂纹方向与外表面成斜角度。在该贯穿裂纹附近还可见另一细小裂纹，该裂纹同样垂直于内表面，从该特征可以初步判定裂纹自管体内壁首先启裂。对裂纹附近的金相组织进行观察，发现裂纹附近的偏析带组织未见变形，说明裂纹并非由于塑性变形产生。观察细小裂纹还可以发现，该裂纹具有沿晶脆性开裂特征。通过对管体内壁的腐蚀产物进行组成分析，发现其中含有8%FeS，而FeS 是硫致应力腐蚀的产物。此外，对泥浆进行的化学成分分析也确认其中含有少量的H2S。综上，结合失效钻探杆使用环境、裂纹形貌特征和腐蚀产物组成分析，判断该横向裂纹应为硫化物作用下产生的应力腐蚀所致。

硫化物应力腐蚀常见于油气开采用管材的失效，而在地质钻探管的失效中则比较少见。通过本案例的分析，可以看到，当地质钻探管所接触的水质、泥浆、地层中含有一定量的硫化物时，地质钻探管同样可能发生硫化物应力腐蚀开裂。本研究可为地质钻探管的产品研发及使用人员提供参考。