失效分析及试验方案：公锥问题

为了打捞掉落在井内的钻杆（称为“落鱼”），钻机通过方钻杆给公锥以一定的旋转力矩和压力，在“落鱼”内壁造扣，公锥即与“落鱼”连成一体而捞起“落鱼”。

在打捞作业中，公锥的受力情况是很复杂的。在寻找“落鱼”时，公锥（尤其是打捞扣部分）承受一定的冲击负荷。造扣时，公锥整体承受扭转或弯曲、扭转复合应力，而打捞扣则受到很大的切向剪切应力、多向不等压应力，以及强烈的磨损（除与钻杆材料相磨外，还受“落鱼”内泥砂的磨粒磨损）。造扣完成后，公锥整体又要承受全部“落鱼”重量及井壁阻力，打捞扣则相应承受轴向剪切应力。

公锥过去主要采用20CrMo，经渗碳淬火处理。根据现场调查，这种公锥的主要失效方式是：①打捞扣剪断；②打捞扣压陷；③打捞扣磨损。除第一种方式有时单独表现（比如在造扣完成时，打捞扣未损坏，但在提升时滑扣）外，在多数情况下，公锥的失效是这三种方式的综合表现。因此，有许多公锥经一次打捞后，造扣部位变成了光杆。接近光杆区的打捞扣，也因受到很大的剪切和挤压，而发生强烈塑性变形。

显然，第一种失效方式取决于打捞扣的剪切强度，第二种失效方式不仅与打捞扣的强度有关，而且还决定于基体的硬度和强度，第三种失效方式主要是打捞扣表层的硬度和耐磨性问题。

根据以上分析，为了提高公锥的造扣能力和使用寿命，提出如下试验方案：

（1）在公锥用钢方面：主要着眼于解决打捞扣的剪断和压陷问题。粗略地讲，渗碳钢的强度，在渗碳工艺固定的情况下，主要决定于钢的淬透性（特别是渗碳层的淬透性）和心部强度。公锥打捞扣的压陷尤其和心部强度有关。因此，进行如下三组试验：

1）第一组：淬透性的影响。钢的碳含量即淬硬性固定，试验淬透性对打捞扣的剪断和压陷的影响。取渗碳层和心部淬透性都很高的20CrMn2SiMoA与20CrMo对比。

2）第二组：心部强度的影响。钢的合金元素及含量不变，仅变更碳含量，试验心部强度对打捞扣的剪断和压陷的影响。选择25CrMo、30CrMo与20CiMo对比。(www.xing528.com)

3）第三组：淬透性和心部强度的综合影响。取淬透性和心部强度均比20CrMo高的25SiMn2WVA、30SiMn2MoVA、32SiMn2WA、37SiMn2MoWVA、45SiMnMoVA等钢种进行试验。

（2）在化学热处理方面：为了进一步提高打捞扣的耐磨性，进行渗碳、渗硼、软氮化等三种化学热处理的对比试验。据参考文献[1]，渗硼对于泥砂的磨粒磨损是有良好效果的，因此重点试验渗硼，并设计一组渗碳加渗硼的方案。

由于公锥受力情况复杂，很难用一般的力学性能试验方法对上述试验方案进行评定，因此我们根据公锥的服役条件设计了模拟试验。模拟试验的试样是模拟公锥和模拟钻杆。模拟公锥系将公锥工作部分缩小两倍左右，如图1所示（打捞扣尺寸和公锥实物相同）。模拟钻杆的材料和热处理与钻杆接头相同，即采用35CrMo调质，硬度为269～302HB，其尺寸亦相应缩小，如图2所示。

图1 模拟公锥略图

图2 模拟钻杆略图

公锥打捞钻杆时的造扣，类似于在机床上套扣：公锥相当于丝锥，钻杆相当于需要套扣的工件的内孔。公锥模拟试验即据此设计。试验在慢速车床上进行，转速12r/min。机床电动机的功率为7.5kW。