Φ1588mm钻铤内螺纹端残余应力测量方法

钻铤是石油钻井过程中的重要工具之一，对确保钻柱下部刚度和稳定性起着决定性作用。随着钻井工况的日益复杂和钻井技术的进步，井深的增加和温度压力的提高，导致钻铤失效事故有增多趋势。对油气田断裂钻铤、新钻铤材质和螺纹的检验结果表明，大多数钻铤内螺纹断裂属于早期疲劳断裂，也有少量钻铤断裂为淬火裂纹和机加工缺陷所致。钻铤材质方面的问题是材料在热处理后存在较大残余应力，这严重影响了疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命。因此，了解钻铤内螺纹端残余应力分布就尤为重要。

本文采用盲孔法，对直径为158.8mm两个不同生产厂家的钻铤内螺纹端轴向和径向残余应力进行测量，由于所钻孔深h满足将盲孔视为通孔的条件，因此深盲孔相当于通孔，可以用Kirsch理论计算应变释放系数A、B，进而计算最终的残余应力。

残余应力测点布置和仪器使用

轴向测量中共布置了13个测点，径向残余应力测量试验中，布点从第3个齿根部进行线切割，沿径向平均布5个点，每7.4mm一个点。

仪器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多点残余应力测试系统，是由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成，软件设置后，自动实时计算残余应力，实时显示应力数值，精度高，结果准确。

轴向残余应力测量结果

图1沿钻铤轴向残余应力的纵向和横向分布

图1是各点的轴向残余应力纵向和横向分布图，从图中可以看出，1#钻铤的纵向残余应力均为压应力，呈U型分布，两边小，中间大，螺纹部分最小压应力出现在第2齿根（测点3），最大压应力出现在螺纹向管体过渡处，最小压应力出现在钻铤末端，钻铤的横向残余应力均为压应力，呈“z”型分布，压应力值沿着轴向逐渐增大，最小压应力出现在测点6即第6齿根部，最大残余压应力值出现在钻铤末端。

2#钻铤的轴向残余应力均为压应力（除测点4、5），呈U型分布，两边小，中间大，螺纹部分最大拉应力出现在第3齿根部（测点4），最大压应力出现在螺纹向管体过渡外，最小压应力出现在管体部分，钻铤的环向残余应力为压应力（除测点2、5），呈U型分布，螺纹部分最大拉应力出现在第4齿根部（测点5），最大压应力出现在螺纹向管体过渡处，最小压应力出现在管体部分。

径向残余应力测量结果

图2 沿钻铤径向残余应力的切向和径向分布

图2是各点的径向残余应力分布图，从图中可以看出，1#钻铤的切向残余应力沿钻铤外沿向轴心部分逐渐增大，即由远离加工表面到钻铤的内加工表面逐渐增大，由压应力逐渐变为拉应力，最大拉应力出现在内加工表面；钻铤的径向残余应力沿钻铤外沿向轴心部分逐渐增大，即由远离加工表面到内加工表面逐渐增大，由较小拉应力变为压应力再逐渐变为相对较大的拉应力，最大拉应力出现在内加工表面。

2#钻铤切向残余应力沿钻铤外沿向轴心部分逐渐增大，即由远离加工表面到内加工表面逐渐增大，由较小拉应力变为压应力再逐渐变为相对较大的拉应力，径向残余应力与切向残余应力分布一致。

残余应力测量结果分析

如果钻铤表面形成残余压应力，可以提高钻铤的使用性能；如果形成残余拉应力，会降低使用性能，为达到API标准和石油行业标准，各个厂家选择的钻铤材料和热处理工艺不同，采取的冷加工工艺也不同，而残余应力对加工工艺十分敏感，试验研究发现各个厂家的钻铤残余应力差别很大，大多数断裂钻铤存在残余应力，而现行的钻铤标准对残余应力没有要求，一般对成品钻铤的残余应力不予测定。因此，建议厂家对成品钻铤的残余应力进行测定，同时油田在订货时也应该对残余应力提出相应的补充技术要求。

结论

 ⑴1#钻铤内螺纹端沿轴向测量的纵向与切向残余应力为压应力；1#钻铤内螺纹端沿横截面测量的径向与切向残余应力在外表面附近为压应力，在内表面附近为拉应力。

⑵2#钻铤内螺纹端沿轴向测量的残余应力存在拉应力；2#钻铤的径向残余应力与切向残余应力分布一致，最大拉应力出现在内表面附近，该钻铤内螺纹部分内、外表面均有残余应力拉应力出现，应改进热处理工艺，降低热应力的影响。

⑶影响测定结果的因素很多，测点数也有限，要想完整准确地确定钻铤的轴向和径向残余应力分布仍有许多工作要做。