空心抽油桿接箍開裂原因分析

張朋舉 魏曉娟 張永紅

(1.中國石油吐哈油田分公司機(jī)械廠 新疆 鄯善 838202;2.中國石油吐哈油田吐魯番采油廠 新疆 鄯善 838202)

0 引 言

近年來，隨著邊際油田(稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等)的規(guī)模開發(fā)，可通過空心抽油桿向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降粘劑和防腐劑，能有效地降低開采難度，可以增加分層開采計量層數(shù)［1～5］。某油井采用空心抽油桿泵上摻稀作業(yè)，進(jìn)行稠油的開采。該井經(jīng)過200 d 的正常運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)摻稀壓力發(fā)生變化。隨即進(jìn)行修井作業(yè)，將原井桿柱提起后，發(fā)現(xiàn)從井口向下第102 根空心抽油桿處，即井深為918 m 處的空心抽油桿接箍端發(fā)生開裂。開裂處的空心抽油桿規(guī)格是按照SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)制造的規(guī)格為Φ36 mm，壁厚為6.5 mm。經(jīng)調(diào)查，這種空心抽油桿桿頭和接箍均采用獨(dú)立加工的形式，應(yīng)用摩擦焊接工藝進(jìn)行生產(chǎn)。為了調(diào)查開裂的原因，以材料因素為主要分析方法，結(jié)合制造工藝和應(yīng)用環(huán)境對該事故進(jìn)行失效分析。

1 理化檢驗(yàn)與分析

1.1 宏觀形貌分析

開裂處的空心抽油桿接箍形貌如圖1 所示，在接近空心抽油桿接箍大圓弧過渡處，距離端面距離10 mm 處發(fā)生開裂，如圖2 所示。為了進(jìn)一步觀察開裂形貌，采用人工方式將剩余連接部分扳開，分離后如圖3 所示。原始開裂部分約占到了該類型空心抽油桿截面積的2/3，人工斷面部分約占到截面積的1/3。如圖3 所示，裂紋起源于外壁，斷口存在多條裂紋，裂紋均延伸至約1/2 壁厚處。

圖1 接箍開裂實(shí)物

圖2 裂紋部位放大

圖3 人工斷裂后實(shí)物

1.2 微觀形貌分析

斷口宏觀形貌表明，該空心抽油桿接箍具有多處開裂的特征。該接箍開裂實(shí)際上是其危險面的外壁裂紋誘發(fā)擴(kuò)展的結(jié)果。采用STEREOSCAN 440σ 掃描電鏡對桿頭的斷口進(jìn)行分析。對裂紋源起裂區(qū)處，如圖4(a)所示進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)了較為明顯的韌性斷裂現(xiàn)象，并且形成分層開裂現(xiàn)象，如圖4(b)所示，出現(xiàn)開裂棱臺，如圖4(c所示。能譜分析表明，斷口裂紋源區(qū)氧原子分?jǐn)?shù)為61.1%、鐵的原子分?jǐn)?shù)為29.46%，發(fā)現(xiàn)斷口已經(jīng)被腐蝕。

1.3 基本測量

該類型的空心抽油桿，按照SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)制造而成的，獨(dú)立加工的接箍圓弧過渡處，圖1 所示的大圓弧過渡處的標(biāo)注值要求≥R5，實(shí)際的測量值達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求，外徑標(biāo)準(zhǔn)值為Φ(36 ±0.25)mm，實(shí)測外徑平均值為Φ36.11 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。接箍斷面距離焊縫的尺寸要求為14 mm ～16 mm，實(shí)際測量的尺寸為15 mm 均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.4 化學(xué)成分分析

圖4 斷口微觀形貌

分別在圖1 所示的裂紋壁上截取試樣，在接箍的母材處截取試樣。采用GB/T 223 中規(guī)定的各種方法進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1 所示，由于空心抽油桿標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》，規(guī)范性引用文件為GB/T 3077 -1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》。該生產(chǎn)企業(yè)在制造過程中，選擇35CrMo 鋼為該型抽油桿的原材料?？梢姅嗔训目招某橛蜅U接箍端，母材部分化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999 標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)測定接箍開裂端的母材中C 元素的含量超出標(biāo)準(zhǔn)值0.022%，其他元素均符合標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5 金相檢測

桿頭熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，為了進(jìn)一步判斷金相組織狀況。從斷口位置截取試樣，按照GB/T 13298 -1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對斷裂處的金相采用Axiovert 40 MAT 型金相顯微鏡進(jìn)行觀測，對接箍母材端和開裂端進(jìn)行金相檢測，通過對比發(fā)現(xiàn)，如圖5 中a 所示，接箍開裂端的組織偏析較為嚴(yán)重，先析出的相較多，而且呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。圖5 中b 圖顯示，母材的組織形態(tài)符合調(diào)質(zhì)處理工藝的顯微組織形態(tài)。

圖5 接箍端母材與開裂處顯微組織

圖6 接箍外表面精車后形貌

并根據(jù)GB/T 6394 -2002《金屬平均晶粒度測定法》標(biāo)準(zhǔn)中的直線截點(diǎn)法評取試驗(yàn)材料的晶粒度［1］。實(shí)測母材端晶粒度為8.8 級，開裂處晶粒度為9.2 級。

表1 空心抽油桿桿頭材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.6 硬度檢測

對開裂的接箍，采用圓周面硬度檢測測試，分別截取開裂處圓周環(huán)和母材處圓周環(huán)，進(jìn)行測試對比，其測試結(jié)果見表2。開裂端的數(shù)值明顯低于母材端的數(shù)值，并且開裂端硬度數(shù)值起伏較大。

表2 實(shí)測硬度值

2 制造工藝與應(yīng)用環(huán)境分析

2.1 接箍制造工藝

該類型的空心抽油桿接箍制造工藝流程如下:棒料鋸切→鉆孔→粗車→淬火→回火→精車。其中關(guān)鍵工藝部分為淬火+ 回火，淬火溫度為850℃，回火溫度為580℃，使用的淬火液為PAG 水基淬火介質(zhì)。

2.2 油井工藝

該井為抽油機(jī)采油井，為典型的有桿采油系統(tǒng)。與常規(guī)采油井不同，該油井采油通過從空心抽油桿中摻入稀油，在井筒中與稠油混合降低原油粘度，摻稀比例為1:0.8，摻入0.8 m3稀油，抽出1.8 m3混合油。采用這種方式保證原油順利舉升至地面。

3 分析與討論

根據(jù)對開裂空心抽油桿接箍的基本測量可以發(fā)現(xiàn)，所有的測量數(shù)據(jù)均符合制造標(biāo)準(zhǔn)的要求，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的加工制造尺寸偏差。而根據(jù)化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，裂紋端C 元素含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求。相關(guān)資料顯示在淬火冷卻過程中，臨界冷卻速度與碳含量有關(guān)，低碳鋼隨碳含量增高，臨界冷卻速度將顯著降低［6］。因?yàn)?5CrMo可以歸為亞共析鋼范疇，當(dāng)工件局部含碳量偏高時，臨界冷卻速度降低，會導(dǎo)致工件局部的淬火效果與工件其他部位不一致性增強(qiáng)，同時易引發(fā)淬火應(yīng)力，相應(yīng)的在回火過程中，回火組織沒有達(dá)到更加理想的狀態(tài)。而且在熱處理過程中，淬火和回火溫度和加熱時間選擇不當(dāng)會加劇上述過程。從圖5 就可以發(fā)現(xiàn)，開裂處的組織形態(tài)和均勻性不如母材處，導(dǎo)致該處力學(xué)性能下降，根據(jù)表2 就可以發(fā)現(xiàn)，開裂處的實(shí)測硬度值遠(yuǎn)不及母材處理想。因而連接強(qiáng)度降低。并且根據(jù)圖2 中所示，可以發(fā)現(xiàn)該接箍的車削加工，刀痕非常的明顯。同時圖6 也表明，在開裂圓周方向上，車削刀痕為起裂裂紋源區(qū)，連接強(qiáng)度降低，因此形成了開裂，而開裂為韌性開裂過程，相關(guān)資料顯示［7～10］，材料的韌性越好，疲勞擴(kuò)展所用的時間越長。所以該空心抽油桿未完全斷裂，而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)熱處理參數(shù)選擇不當(dāng)和原材料中碳含量超標(biāo)，導(dǎo)致了該空心抽油桿接箍金屬組織形態(tài)分布不均勻，導(dǎo)致連接強(qiáng)度降低;

2)空心抽油桿接箍的車削加工表面，產(chǎn)生的刀痕較為明顯，誘發(fā)了該接箍的開裂。

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