抽油桿短期失效原因分析

陳舉濤，袁良帥，王軍，姬丙寅，楊宏利，徐藹彥，王紅江

抽油桿短期失效原因分析

陳舉濤1，袁良帥2，王軍3，姬丙寅3，楊宏利3，徐藹彥3，王紅江3

1.中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處商檢所（陜西咸陽712042）
2.中國石化西南油氣分公司物資供應(yīng)中心（四川德陽618019）
3.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司（陜西西安710061）

抽油桿是有桿泵采油方式的重要部件。在抽油過程中，抽油桿柱由于不對(duì)稱循環(huán)載荷、稠油、腐蝕、結(jié)蠟等原因，造成抽油桿失效。通過幾何尺寸測(cè)量、力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分、顯微組織及示功圖分析，對(duì)抽油桿的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，抽油桿斷裂的主要原因是扳手方存在孔洞缺陷、表面脫碳、組織不均勻及非金屬夾雜物數(shù)量較多的材質(zhì)問題，次要原因是扳手方截面尺寸不足及扳手方過扭造成的損傷。最后，建議增加抽油桿的脫碳層、非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、抽油桿內(nèi)部缺陷等檢測(cè)項(xiàng)目。

抽油桿；斷裂原因；扳手方；短期失效；振動(dòng)載荷；脫碳層

目前，我國己開發(fā)的油田大部分已進(jìn)入中、高含水期開采階段，許多油井由自噴式油井轉(zhuǎn)為機(jī)械采油井，甚至有些油井一開始就為機(jī)械采油井，而機(jī)械采油井中的有桿泵采油方式又占到90%以上[1-3]，抽油桿是有桿泵采油方式的重要部件。在抽油過程中，抽油桿柱承受的是不對(duì)稱循環(huán)載荷，加上稠油、腐蝕、結(jié)蠟等原因，從而造成抽油桿失效[4-7]。

某公司近3年累計(jì)發(fā)生200多根抽油桿斷裂事故，其中100天內(nèi)斷裂的抽油桿占斷桿總數(shù)的20%。對(duì)一起服役僅21天的抽油桿斷裂事故進(jìn)行了分析，抽油桿規(guī)格為Φ25mm，等級(jí)為HL，材質(zhì)為35CrMoA。

1 事故概況

某油井于2015年11月22日完井，并下入Φ38mm深抽桿式泵，泵掛3 108m，抽油桿采用三級(jí)桿柱組合，各級(jí)桿柱由上至下長度依次為：25.4mmHL級(jí)抽油桿（963m）+22.22mmHL級(jí)抽油桿（1 150m）+ 19.05mmHL級(jí)抽油桿（995m）。該抽油桿組合在動(dòng)液面2 500m（沉沒度608m）、含水60%條件下，最大載荷為131kN，最小載荷為99kN，交變載荷為32kN。12月25日第57根（距井口約450m）25.4mm（1″）HL級(jí)抽油桿從扳手方處發(fā)生斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1幾何尺寸測(cè)量

圖1為失效樣品的宏觀形貌。從圖1可以看到，抽油桿從扳手方（靠近臺(tái)肩）斷裂，扳手方斷口棱邊有磨損痕跡，斷口被一層褐色的產(chǎn)物覆蓋，表面粗糙，扳手方發(fā)生過扭變形。

對(duì)切掉斷口的樣品表面進(jìn)行磨制，可以觀察到孔洞缺陷，如圖2所示。

對(duì)抽油桿的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。測(cè)量結(jié)果表明，抽油桿的凸緣和桿體直徑滿足標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5029—2013規(guī)定[6]，但扳手方寬度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的下限要求。

2.2化學(xué)成分及顯微組織分析

對(duì)扳手方斷口附近的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。化學(xué)分析結(jié)果表明，樣品的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26075—2010規(guī)定[7]，但扳手方表面的C含量為0.309%，較心部（0.354%）低12.7%，扳手方心部的C含量較桿體心部（0.347%）高2%，表明抽油桿表面有脫碳現(xiàn)象，且桿體和扳手方的C含量也存在差異。

圖1 失效樣品形貌

圖2 斷口附近的扳手方橫截面形貌

表1 幾何尺寸測(cè)量結(jié)果/mm

制樣后用4%硝酸酒精腐蝕溶液腐蝕，并在ZEISS AX10光學(xué)顯微鏡上對(duì)扳手方斷口附近及桿體心部的顯微組織進(jìn)行分析，如圖3所示。從圖3可以看到，扳手方心部的組織為回火馬氏體+貝氏體+少量未溶鐵素體，晶粒度等級(jí)為7級(jí)，桿體的組織為回火馬氏體+貝氏體，晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)。

表2 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

圖3 顯微組織形貌（×500）

夾雜物分析結(jié)果表明，扳手方處夾雜物數(shù)量較多、尺寸較大，且較為集中，其評(píng)定結(jié)果見表3。

2.3力學(xué)性能檢測(cè)

采用200HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)扳手方（斷口附近）及桿體的洛氏硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4，表4中硬度值均采用平均值。測(cè)試結(jié)果表明，扳手方心部至表面的硬度逐漸增大，但心部至兩個(gè)相對(duì)表面的增加幅度不同，桿體心部硬度較扳手方心部高出11%，表明扳手方的硬度不均勻，且與桿體存在較大差異。

依據(jù)式（1）將平均HRC值換算成抗拉強(qiáng)度[8]，洛氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度見表5。從表5可以看出，兩者換算的抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5029—2013規(guī)定，但桿體的抗拉強(qiáng)度較扳手方高出4.7%。

表3 夾雜物評(píng)定結(jié)果(等級(jí))

表4 洛氏硬度測(cè)試結(jié)果/HRC

表5 洛氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度

式中：σb為抗拉強(qiáng)度，MPa；H為洛氏硬度值，17≤H≤50，HRC。

采用ZBC2302-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品的夏比U型沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表6。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，鐓鍛過渡區(qū)的沖擊功明顯低于桿體。

表6 夏比U型沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4示功圖分析

圖4為斷桿前后的示功圖。從圖4（a）和（b）可以看到，桿斷前1天的沖程為3.39m，沖次為2.7次/min，最大載荷為111.4kN，最小載荷為78.39kN，上、下沖程曲線波動(dòng)較大。這表明抽油桿在承受循環(huán)載荷的同時(shí)，還承受振動(dòng)載荷，振動(dòng)載荷一方面增加了抽油桿的循環(huán)周次；另一方面增大了抽油桿承受的載荷，導(dǎo)致抽油桿疲勞壽命大大縮短。抽油桿斷脫后的懸點(diǎn)荷載實(shí)際上是斷脫點(diǎn)以上的抽油桿柱在液體中的重量，懸點(diǎn)荷載不變，但是由于摩擦造成上下荷載線不重合，成條帶狀，如圖4（c）所示。

表4斷桿示功圖

2.5 討論

引起35CrMoA HL級(jí)抽油桿斷裂的原因是多方面的，分析如下。

樣品宏觀形貌及幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果表明，扳手方的寬度不足（截面積偏小），存在孔洞缺陷，導(dǎo)致扳手方的承載能力降低。此外，扳手方明顯發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形（可能與現(xiàn)場(chǎng)上扣過扭有一定的關(guān)系），過扭不僅會(huì)造成桿體損傷，而且導(dǎo)致該部位應(yīng)力集中，誘發(fā)和加速了桿體斷裂。化學(xué)成分分析表明，扳手方表面有脫碳現(xiàn)象，這與空氣中加熱及35CrMoA本身碳含量較高容易發(fā)生脫碳有關(guān)，而脫碳造成抽油桿的強(qiáng)度和疲勞性能下降。顯微組織及夾雜物分析結(jié)果表明，扳手方處的組織中有未溶鐵素體，且組織較為粗大；夾雜物數(shù)量較多，且較為集中，破壞了金屬基體的連續(xù)性和均勻性，這也是導(dǎo)致端部沖擊性能較差的原因之一。示功圖分析表明，抽油桿存在較大的振動(dòng)載荷，振動(dòng)載荷一方面增加了抽油桿的循環(huán)周次；另一方面增大了抽油桿承受的載荷，導(dǎo)致抽油桿疲勞壽命縮短。

目前抽油桿主要采用SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)鋼制抽油桿的拉伸和沖擊性能進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)脫碳層、非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、抽油桿內(nèi)部缺陷等項(xiàng)目質(zhì)量控制沒有提出要求，因此可能使存在質(zhì)量問題的抽油桿下井應(yīng)用，導(dǎo)致抽油桿短期失效。

3 結(jié)論及建議

1）抽油桿斷裂的主要原因是抽油桿存在孔洞缺陷、表面脫碳、組織不均勻及夾雜物數(shù)量較多的材質(zhì)問題。

2）抽油桿斷裂的次要原因是扳手方截面尺寸不足及扳手方過扭造成的損傷。

3）建議增加抽油桿的脫碳層、非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、抽油桿內(nèi)部缺陷等檢測(cè)項(xiàng)目。

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Sucker rod is one of the most important parts of rod pump oil production device.In the process of pumping,asymmetric cyclic load,heavy oil,corrosion,wax and other reasons result in the failure of sucker rod.The fracture reasons of sucker rod are analyzed through the geometric size measurement,the mechanical properties,chemical composition and microstructure analysis of wrench square and indicator diagram analysis.It is shown that,the main causes of sucker rod failure are the material defects of the wrench square,such as void defect,surface decarburization;uneven microstructure and more non-metallic inclusions,and the secondary causes are the insuf?ficient section size of wrench square and the torsional damage of wrench square.Finally,it is proposed to strengthen the detection of de?carburization layer,non-metallic inclusions,microstructure,grain size and internal defects of sucker rod.

sucker rod;fracturing cause;wrench square;short-term failure;vibration load;decarburized layer

梅

2016-12-12

陳舉濤（1970-），男，工程師，主要從事物資供應(yīng)管理和物資檢驗(yàn)工作。