HL級35CrMoA抽油桿桿體失效分析

徐藹彥，陳舉濤，袁良帥，王 軍，姬丙寅

（1.西安三維應力工程技術有限公司，西安710061；2.中國石油長慶油田分公司 物資供應處商檢所，陜西 咸陽712000；3.中國石化西南油氣分公司 物資供應中心，四川 德陽618000）

HL級35CrMoA抽油桿桿體失效分析

徐藹彥1，陳舉濤2，袁良帥3，王 軍1，姬丙寅1

（1.西安三維應力工程技術有限公司，西安710061；2.中國石油長慶油田分公司 物資供應處商檢所，陜西 咸陽712000；3.中國石化西南油氣分公司 物資供應中心，四川 德陽618000）

為了研究分析某廠HL級35CrMoA抽油桿桿體失效原因，對失效抽油桿進行了宏觀形貌觀察和化學成分分析，并對其顯微組織和斷口形貌進行了分析和有限元計算。結(jié)果表明，該抽油桿的失效模式為典型的腐蝕疲勞斷裂，顯微組織主要為回火索氏體+鐵素體；疲勞裂紋源于桿體表面腐蝕坑處，疲勞裂紋沿針狀組織擴展；在拉伸載荷下，凸緣與桿體截面突變處應力水平相對較高，最終導致腐蝕疲勞失效。最后，提出了預防抽油桿失效的措施，為油田減少同類失效的發(fā)生提供重要的理論依據(jù)。

35CrMoA；抽油桿；疲勞失效

Abstract:In order to study the failure reason of HL grade 35CrMoA sucker rod body,the macroscopic observation and chemical composition analysis were conducted,and its microstructure and fracture morphology were analyzed and carried out finite element calculation.The result showed that the failure mode of the sucker rod was the typical corrosion fatigue fracture,and the microstructure mainly composed of tempered sorbite and ferrite;the fatigue crack derived from the corrosion pit of the sucker rod body surface,and the fatigue crack propagated along the acicular structure；under tensile load,the stress level was relatively high on the flange and the sucker rod body section mutation，eventually caused corrosion fatigue failure.Finally,the measures to prevent the failure of sucker rod were proposed,which will provide important theoretical basis for reducing the occurrence of the same kind of failure in oil field.

Key words:35CrMoA;sucker rod;fatigue failure

近年來，由于各國對石油需求量的增加，抽油桿作為有桿抽油設備的重要組成部件，高強度HL級抽油桿的使用量在逐年增加[1-3]。在抽油桿提升和下降過程中，受拉－壓疲勞應力和原油腐蝕，很容易造成腐蝕疲勞斷裂[4-6]。而每次抽油桿發(fā)生斷裂后，都需要進行打撈和更換抽油桿，這樣不僅增加了設備投資和維修作業(yè)費用，而且還造成了原油開采停產(chǎn)，給油田帶來巨大的經(jīng)濟損失[7-10]。

因此，有必要對抽油桿的失效做出正確的分析，找出斷裂原因，并能在其失效前及時做出反應，達到預防目的，并對抽油桿的合理使用，減少抽油桿斷裂事故，降低采油成本，提高抽油桿工作的可靠性和使用壽命，對進一步提高油田的工作效率和經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用HL級Φ25 mm 35CrMoA抽油桿，在井下服役235天后，桿柱運行1.0×105次，達到額定壽命（1×107次）的10%，距井口第27根3/4抽油桿處發(fā)生桿體斷裂。最大載荷137.9 kN，最小載荷67.5 kN，交變載荷70.4 kN，可見交變載荷較大。通過對失效抽油桿宏觀形貌觀察、金相組織和有限元分析，找出該抽油桿的失效形式和失效原因。

1.2 試驗方法

在斷裂抽油桿斷口附近切取試樣，采用直讀光譜儀進行化學成分檢測試驗。截取斷口表面試樣，使用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，并對裂紋源腐蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物做能譜分析。從斷口裂紋源處截取金相試樣，用砂紙逐級打磨并拋光。用4%硝酸酒精溶液腐蝕，依據(jù)GB/T 13320—1991，采用光學顯微鏡觀察其顯微組織形貌。采用ANSYS有限元分析抽油桿受力及失效原因。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖1所示為斷裂抽油桿樣品宏觀形貌。由圖1（a）可見，試樣從接近鐓粗桿體處斷裂，測量得斷裂位置距凸緣120 mm，距斷口8 mm處可以看到卡瓦夾痕；由圖1（c）可見，試樣表面有大量腐蝕坑，最大深度為0.08 mm，大量腐蝕坑造成抽油桿強度下降，加劇抽油桿斷裂；由圖1（b）可見，裂紋源于外表面腐蝕坑處，裂紋擴展初期斷面比較細膩，有明顯的貝紋線，向內(nèi)擴展逐漸變粗糙，最后的瞬斷區(qū)呈45°斜斷口，是典型的腐蝕疲勞斷裂，瞬斷區(qū)外圓環(huán)向周長約占50%以上，瞬斷區(qū)面積約占1/4斷口橫截面。

圖1 斷裂抽油桿宏觀形貌

2.2 化學成分

斷裂抽油桿化學成分檢測結(jié)果及標準要求見表1。由表1可以看出，各化學元素含量符合GB/T 26075—2010要求。

表1 化學成分分析結(jié)果

2.3 斷口分析

對斷裂抽油桿試樣表面腐蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，試樣表面的腐蝕產(chǎn)物中Fe、O、C、S、Cr元素含量較高，K、Cr、Cl含量次之。斷裂抽油桿斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中除含有大量Fe的氧化物外，還有較多的CO2、H2S、Cl-以及各種鹽類物質(zhì)?？梢?，腐蝕環(huán)境中同時含有H2S和CO2等介質(zhì)，Cl-具有催化作用，可加速抽油桿的點蝕、均勻腐蝕和SSC應力腐蝕開裂的形成，是斷裂的主要原因。

圖2 表面腐蝕坑處能譜分析結(jié)果

2.4 顯微組織

斷裂抽油桿斷口附近顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可以看出，顯微組織為回火索氏體+少量針狀鐵素體。

圖3 抽油桿附近斷口附近組織形貌

2.5 受力分析

采用ANSYS軟件對Φ25 mm HL級抽油桿進行受力分析。所用參數(shù)為彈性模量2×105MPa，泊松比0.3，屈服強度793 MPa，抗拉強度965 MPa。工程應力－應變曲線如圖4所示，采用轉(zhuǎn)化的真實應力－應變曲線，建立二維彈塑性分析模型，有限元網(wǎng)格圖如圖5所示。

圖4 抽油桿工程應力－應變曲線

圖5 有限元網(wǎng)格圖

抽油桿接頭上扣后施加軸向拉伸載荷，大小采用SY/T 5029—2013中規(guī)定的疲勞試驗載荷540 MPa，計算結(jié)果如圖6所示。在拉伸載荷下，凸緣與桿體截面突變處應力水平相對較高，計算結(jié)果與實際斷裂情況相符。應力集中是造成抽油桿斷裂的主要因素，因此可得，在腐蝕介質(zhì)和交變應力共同作用下造成抽油桿應力腐蝕疲勞斷裂，這也是該油田大量抽油桿在此處斷桿占比高的原因。

圖6 抽油桿在拉伸狀態(tài)下的應力云圖

3 預防抽油桿失效措施

（1）科學使用抽油桿。首先，必須根據(jù)油田現(xiàn)場油井的生產(chǎn)條件和原油性能選用抽油桿，對于超深、超高溫、超高壓油井應選用HL級超高強度抽油桿；其次，斜井盡量選用連續(xù)桿，減少斷脫事故的發(fā)生。

（2）優(yōu)化組合抽油桿。設計抽油桿桿柱時，應從實際出發(fā)考慮拉油桿的抗疲勞強度，不斷優(yōu)化組合，實現(xiàn)抽油桿的安全性和穩(wěn)定性，達到合理使用的目的。

（3）下井前檢查抽油桿。抽油桿質(zhì)量的好壞直接影響其使用壽命，下井前，必須根據(jù)相關標準對抽油桿進行質(zhì)量檢測，確保下井的抽油桿100%合格，對油田經(jīng)濟效益有著至關重要作用。

（4）記錄更換使用臺帳。對下井的抽油桿進行記錄，通過臺帳從根本上獲知抽油桿的服役條件和累計工作時間，準確掌握使用壽命。

（5）建立檢測與修復制度。制定合理完善的檢查周期，出現(xiàn)問題及時修復或更換新桿。對于回收的抽油桿不僅要進行清洗分類，還需要對表面缺陷、理化性能等項目進行全面檢測，以消除事故隱患。

（6）運輸儲存時規(guī)范操作。嚴格執(zhí)行抽油桿運輸和存儲操作規(guī)范，避免抽油桿在運輸、儲存過程中腐蝕或彎曲。

4 結(jié) 論

（1）本次抽油桿失效的主要原因是應力腐蝕開裂引起的腐蝕疲勞斷裂。

（2）發(fā)生應力腐蝕開裂的主要原因與斷裂抽油桿外表面腐蝕產(chǎn)物中含有Fe、H2S、CO2、Cl-等腐蝕介質(zhì)、斷裂部位存在應力集中有關。

（3）失效抽油桿的化學成分及顯微組織等常規(guī)性能檢測結(jié)果滿足相關標準要求，所以常規(guī)性能質(zhì)量不是造成失效事故的主要原因。

（4）預防抽油桿失效措施的實施，將減少同類失效的發(fā)生。

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HL Grade 35CrMoA Sucker Rod Body Failure Analysis

XU Aiyan1,CHEN Jutao2,YUAN Liangshuai3,WANG Jun1,JI Bingyin1
（1.Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710061,China;2.Commodity Inspection Institute affiliated to Material Supply Department， CNPC Changqing Oilfield Branch， Xianyang 712000， Shaanxi,China；3.Equipment Supply Centre in Southwest Exploration Bureau of SINOPEC,Deyang 618000， Sichuan， China）

TE933.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.006

2017－03－06

編輯：李紅麗

徐藹彥（1988—），女，碩士，主要從事石油管管柱力學仿真與失效分析研究。