東辛采油廠在用抽油桿質(zhì)量對(duì)比分析

劉曉林 慕學(xué)東 李營(yíng)波 趙海濱 相 振

中國(guó)石化勝利油田分公司 東辛采油廠 (山東 東營(yíng) 257000）

東辛采油廠目前使用著4個(gè)廠家生產(chǎn)的3種級(jí)別、3種規(guī)格的抽油桿。在對(duì)這些抽油桿使用情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同級(jí)別的抽油桿質(zhì)量水平有所差異。為對(duì)目前在用抽油桿的質(zhì)量情況有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)，能夠提供可靠的決策、設(shè)計(jì)依據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)抽取F公司的Φ22 KD級(jí)抽油桿1批次，J公司的Φ22 HL級(jí)和Φ22 HY級(jí)抽油桿2批次，T公司的Φ22 HL級(jí)抽油桿1批次，G公司的Φ22 HL級(jí)抽油桿1批次，共計(jì)5批次抽油桿，分別進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)、材質(zhì)化驗(yàn)分析、金相組織分析、硬度檢測(cè)、沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。通過對(duì)這些指標(biāo)的定量分析，對(duì)比在用抽油桿的質(zhì)量差異，促使生產(chǎn)廠家查找自身不足，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照各項(xiàng)試驗(yàn)的不同要求，分別截取各生產(chǎn)廠家的Φ22抽油桿制作成試件進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。力學(xué)性能和疲勞試驗(yàn)所需的試件是截取1根抽油桿的兩端及中部各500mm的3段進(jìn)行試驗(yàn)；金相組織截取的部位需避開熱影響區(qū)，在距離桿頭1000mm處；電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)試件的制作方法是:截取抽油桿試樣，將表面磨出裸露金屬，上下全部噴涂絕緣油漆，中間剩余寬度為18mm的圓環(huán)為腐蝕表面進(jìn)行試驗(yàn)。

2 力學(xué)性能

用制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

依據(jù)SY/T 5029-2006《抽油桿》中規(guī)定，力學(xué)性能試驗(yàn)未對(duì)HL級(jí)和KD級(jí)抽油桿的表面硬度進(jìn)行檢測(cè)，未對(duì)HY級(jí)抽油桿的屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

由表1可知，各廠家生產(chǎn)的各級(jí)抽油桿機(jī)械性能雖有差異，但均符合SY/T 5029-2006《抽油桿》中規(guī)定的鋼制抽油桿力學(xué)性能要求，說明各生產(chǎn)廠家材料選擇和熱處理工藝符合要求。因標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定抽油桿本體硬度的要求,只規(guī)定了HY級(jí)抽油桿的表面硬度≥42HRC,本體硬度≥224HB(≥20HRC),由此判定，J公司的HY級(jí)抽油桿符合標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。J公司的HY級(jí)抽油桿表面硬度較高，達(dá)到48HRC,因而其抗磨性最好。

表1 在用抽油桿力學(xué)性能試驗(yàn)

J公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最高，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率相對(duì)其他廠家差距不大，性能應(yīng)屬最優(yōu)。由于生產(chǎn)工藝不同、標(biāo)準(zhǔn)要求差異，HY級(jí)抽油桿屬于工藝型高強(qiáng)抽油桿，KD級(jí)抽油桿屬于抗腐蝕抽油桿，不參與機(jī)械性能對(duì)比。但由表1可見，F(xiàn)公司生產(chǎn)的KD級(jí)抽油桿和J公司生產(chǎn)的HY級(jí)抽油桿，接近各自上限值，抗斷裂能力較強(qiáng)。

3 材質(zhì)分析

對(duì)截取的各廠家生產(chǎn)的抽油桿樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。

表2 在用抽油桿材質(zhì)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照GB/T 26075-2010《抽油桿用圓鋼》的技術(shù)要求，可以確定，T公司、G公司的HL級(jí)抽油桿選用的鋼材牌號(hào)為30CrMoA，J公司的HL級(jí)和HY級(jí)抽油桿選用的鋼材牌號(hào)為25CrMoA，F(xiàn)公司的KD級(jí)抽油桿選用的鋼材牌號(hào)為25NiMn-CrMoA[2]，與供貨時(shí)提供的鋼材牌號(hào)相符。

由表2可知，各廠家生產(chǎn)的抽油桿材質(zhì)化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。HL級(jí)抽油桿生產(chǎn)廠家選用的30CrMoA或25CrMoA高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼是標(biāo)準(zhǔn)推薦的D級(jí)抽油桿的材料，其圓鋼的供貨狀態(tài)應(yīng)只能達(dá)到D級(jí)抽油桿的力學(xué)性能，結(jié)合表1分析可知，該級(jí)抽油桿的力學(xué)性能均達(dá)到了HL級(jí)抽油桿的力學(xué)性能，說明該級(jí)抽油桿均經(jīng)過了調(diào)質(zhì)等熱處理工藝。J公司生產(chǎn)的HY級(jí)抽油桿選用的25CrMoA高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼是標(biāo)準(zhǔn)推薦的D級(jí)抽油桿的材料，經(jīng)過調(diào)質(zhì)、表面淬火等熱處理工藝，達(dá)到了HY級(jí)抽油桿的力學(xué)性能。F公司生產(chǎn)的KD級(jí)抽油桿選用Ni元素含量較高的25NiMnCrMoA高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼作為基體材料，符合標(biāo)準(zhǔn)推薦的KD級(jí)抽油桿的材料要求。J公司的HL級(jí)抽油桿含碳量低于其他HL級(jí)廠家，抗拉強(qiáng)度卻最高,說明J公司的HL級(jí)抽油桿生產(chǎn)工藝控制相對(duì)其他廠家HL級(jí)抽油桿工藝控制較優(yōu)。

4 金相組織分析

把制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣放大200倍，觀察金相組織，結(jié)果如圖1所示。

圖1 在用抽油桿的金相組織

圖1 a為T公司Φ22HL級(jí)抽油桿(30CrMoA)金相組織，其組織為貝氏體+索氏體組織；圖1 b為G公司Φ22HL級(jí)抽油桿(30CrMoA)金相組織，其組織為回火索式體組織；圖1 c為J公司Φ22HL級(jí)抽油桿金相組織，其組織為貝氏體+索氏體組織；圖1 d為F公司Φ22KD級(jí)抽油桿金相組織，其組織為回火索式體組織；圖1 e為J公司Φ22HY級(jí)抽油桿金相組織，其組織為索式體組織。

由圖1可知，HL級(jí)高強(qiáng)度抽油桿采用了30Cr-MoA或25CrMoA鋼，通過提高C元素含量和調(diào)質(zhì)處理來提高材料強(qiáng)度，組織多為回火索式體組織，并混有貝氏體組織。

KD級(jí)抽油桿采用了耐蝕性較高的25NiMnCr-MoA鋼，組織與性能相對(duì)較好。

HY級(jí)抽油桿采用25CrMoA鋼，表面強(qiáng)化處理，表面與心部金相組織有較大差異，表面為晶粒細(xì)碎、組織致密的淬火馬氏體組織，心部為索氏體組織。說明該鋼材是先經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理，得到了索氏體組織，再經(jīng)過表面淬火處理，得到表面的淬火馬氏體組織，這種結(jié)構(gòu)機(jī)械性能優(yōu)越，整體抗拉強(qiáng)度提高，表面硬度高，耐磨性能好。

5 沖擊試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，D級(jí)、KD級(jí)和HL級(jí)鋼制抽油桿室溫下的沖擊韌性用沖擊功度量，其數(shù)值均要求≥60J。室溫下，沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，各廠家生產(chǎn)的抽油桿沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由于工藝原因，HY級(jí)抽油桿有淬硬層，標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定沖擊韌性要求，不進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。在3家HL級(jí)桿生產(chǎn)廠家中，T公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿沖擊韌性結(jié)果均勻性較好，其他廠家生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿沖擊韌性均勻性較差。

6 疲勞試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，HL、HY級(jí)抽油桿施加540MPa載荷比0.1的拉-拉載荷，KD級(jí)抽油桿施加406 MPa載荷比0.1的拉-拉載荷，抽油桿拉100萬次不發(fā)生斷裂為合格。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，T公司、G公司、J公司生產(chǎn)的HL級(jí)和HY級(jí)抽油桿在施加540MPa交變載荷的情況下，均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100萬次不斷的要求；F公司生產(chǎn)的KD級(jí)抽油桿在施加406 MPa交變載荷的情況下，2個(gè)試樣分別在65萬次和84萬次時(shí)斷裂，斷裂位置均為熱影響區(qū)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。說明還是有部分產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，存在使用當(dāng)中疲勞斷裂的可能性。

7 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

當(dāng)前，腐蝕疲勞斷裂是抽油桿失效的主要形式，而抽油桿檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)抽油桿耐蝕性提出明確要求，為對(duì)各生產(chǎn)廠家供應(yīng)的各種規(guī)格抽油桿的抗腐蝕能力有一個(gè)更明確清晰的認(rèn)識(shí)，依據(jù)GB/T 17848-1999《犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》，對(duì)抽取的樣品進(jìn)行耐蝕性能對(duì)比評(píng)價(jià)。

7.1 污水水質(zhì)分析

試驗(yàn)污水取自東辛采油廠1號(hào)污水站，該污水是油井采出液分離出的污水的混合物，基本代表了抽油桿的工作環(huán)境。污水水質(zhì)分析依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》進(jìn)行。經(jīng)化驗(yàn)，試驗(yàn)污水的礦化度為30143mg/L，對(duì)金屬腐蝕影響較大的陰離子Cl-的濃度為17221mg/L，不含游離CO2，此種水樣根據(jù)腐蝕性分級(jí)應(yīng)為中度[3]。

7.2 試驗(yàn)方法

選用電化學(xué)工作站CS350進(jìn)行試驗(yàn)，將制成的試件完全浸入試驗(yàn)污水中，輔助陰極采用J55油管。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，每批樣品進(jìn)行3次試驗(yàn)，測(cè)試過程中用儀器自動(dòng)跟蹤監(jiān)視開路電位，并記錄30min和60min時(shí)開路電位值。

7.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表5的試驗(yàn)結(jié)果可知，HL級(jí)抽油桿電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果較好，自腐蝕電流較低，腐蝕速率較低，各試驗(yàn)結(jié)果均勻性較好，耐蝕性最好，HY級(jí)抽油桿次之，KD級(jí)抽油桿最差。其中，J公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿自腐蝕電流較小，自腐蝕電位較高，電化學(xué)腐蝕速率最低，抗腐蝕能力最強(qiáng)，F(xiàn)公司生產(chǎn)的KD級(jí)桿電化學(xué)腐蝕速率最高，耐蝕性最差。J公司生產(chǎn)的HY級(jí)抽油桿的腐蝕速率是其生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿的2倍，抗腐蝕能力較差。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表5 抽油桿電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

KD級(jí)抽油桿應(yīng)為抗腐蝕性抽油桿，電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻顯示腐蝕性能最差。由表2材質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果可知，抽取的KD級(jí)抽油桿合金元素Ni含量為0.782%，遠(yuǎn)高于其他級(jí)別抽油桿，符合KD級(jí)抽油桿的材質(zhì)要求，理應(yīng)具有較高的耐蝕性能，但是主要合金元素Cr含量卻低于其它級(jí)抽油桿，說明Cr元素含量是影響抽油桿抗電化學(xué)腐蝕性能的主要因素。

8 結(jié)論與建議

（1）經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，所有在用的HL級(jí)抽油桿均是由標(biāo)準(zhǔn)推薦的D級(jí)抽油桿原材料經(jīng)熱處理工藝達(dá)到HL級(jí)抽油桿的力學(xué)性能。

（2）F公司生產(chǎn)的KD級(jí)抽油桿屬于防腐抽油桿，但是經(jīng)腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)檢驗(yàn)，其腐蝕平均速率卻是最高的，抗腐蝕能力最差。在疲勞試驗(yàn)中，出現(xiàn)了未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的100萬次的情況 （65萬次和84萬次分別斷裂在桿體的熱影響區(qū)）。因此，該種抽油桿應(yīng)當(dāng)慎重選用。

（3）J公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿在對(duì)比試驗(yàn)中，各項(xiàng)力學(xué)性能最優(yōu)，平均腐蝕速率最低，屬于質(zhì)量最優(yōu)的一種產(chǎn)品。

（4）T公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿各項(xiàng)力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)，但是3家HL級(jí)抽油桿腐蝕速率比較卻是最高的，應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于油井采出液腐蝕性不太強(qiáng)的油井中。

（5）J公司生產(chǎn)的HY級(jí)抽油桿各項(xiàng)力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn),表面硬度較高，具有一定的抗磨性，但是，平均腐蝕速率很高，是該公司生產(chǎn)的HL級(jí)抽油桿的2倍，建議應(yīng)用于偏磨嚴(yán)重、油井采出液腐蝕性較弱的油井中。

（6）同級(jí)別抽油桿質(zhì)量差異較大，特別是抗腐蝕能力差異較大，建議各生產(chǎn)廠家從原材料選用、熱處理工藝等諸多方面查找原因，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]SY/T 5029-2006抽油桿[S].

[2]GB/T 26075-2010抽油桿用圓鋼[S].

[3]SY/T 5329-2012碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法[S].