30CrMoA抽油桿失效分析

楊宏利，王 軍

（西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，西安710061）

30CrMoA抽油桿失效分析

楊宏利，王 軍

（西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，西安710061）

為了研究抽油桿的失效原因和減少抽油桿的斷井事故，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的抽油桿失效樣品進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量和理化性能檢測(cè)，并對(duì)斷口進(jìn)行宏觀、微觀分析及載荷分析。檢測(cè)及分析結(jié)果顯示，抽油桿幾何尺寸、理化性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿(mǎn)足其使用性能要求；斷口起源于機(jī)械損傷部位，隨著周期性的載荷作用，疲勞損傷不斷積累，最終導(dǎo)致抽油桿扳手方發(fā)生疲勞斷裂，裂紋宏觀及微觀均呈現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展特征。失效分析結(jié)果表明，要保證抽油桿的使用安全，除產(chǎn)品質(zhì)量這一重要因素外，對(duì)抽油桿的使用過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制也是很重要的環(huán)節(jié)。

抽油桿；機(jī)械損傷；疲勞失效；過(guò)程檢測(cè)

Abstract:In order to study the failure cause of the sucker rod and reduce the breaking off accident of sucker rod in the well.The sucker rod failure sample was retrieved from the job site,the geometry size of sample was measured,the physical and chemical properties of sample were tested,and the macro and micro analysis,load analysis of sample fracture were finished.After the testing and analysis,the results indicated that the geometry size,physical and chemical properties of the sucker rod meet the requirements of the relevant standards and meet usage performance requirements;the sample fracture originated from the mechanical damage,with periodic loading,the fatigue damage was accumulated,which caused a fatigue fracture of the sucker rod wrench eventually,both macro and micro crack showed fatigue crack propagation characteristic.According to the failure analysis results,in order to ensure the safety of using the sucker rod,monitoring and controlling the using process of the sucker rod is an important factor besides the product quality.

Key words:sucker rod;mechanical damage;fatigue failure;process detection

1 概 述

新疆庫(kù)車(chē)縣境內(nèi)某井的機(jī)抽桿柱自下而上為：CYB-70/44TH柱塞+7/8in抽油桿2根+變絲+1in抽油桿100 m+變絲+3/4in抽油桿575 m+變絲+7/8 in抽油桿1 134 m+變絲+1 in抽油桿459 m＋調(diào)整短節(jié)+1in抽油桿2根+Φ28 mm光桿。泵型CYB-70/44TH（5級(jí)間隙短沖程），泵深2 300 m，泵常數(shù)3.35，工作制度為5.5 m×3 n/min，泵排量55.3 m3，配套抽油機(jī)為16型抽油機(jī)，桿柱設(shè)計(jì)（從大至?。?.25 ∶0.50 ∶0.25， 抽汲混合液粘度為 1 600 mPa·s，理論最大安全抽深1 500 m，3/4 in應(yīng)力比為98%，7/8 in應(yīng)力比為92.6%，1 in應(yīng)力比為83.9%，調(diào)防沖距30～50 cm，350型井口（裝雙閘板手動(dòng)防噴器）。

該抽油桿2015年1月17日入井，2016年3月21日發(fā)生斷桿事故（僅1根發(fā)生斷裂），運(yùn)行壽命429天。在桿斷前1天，抽油桿沖程為5.36 m，沖次為3.07 n/min，泵掛2 305.2 m，動(dòng)液面1 492 m，沉沒(méi)度為813.2 m，含水38.2%，粘度為1 120 mPa·s，工圖上顯示最大載荷為140.8 kN，最小載荷為64.8 kN，交變荷載76 kN；斷桿當(dāng)天抽油桿沖程5.38m，沖次3.07n/min，泵掛2305.2m，動(dòng)液面1597m，沉沒(méi)度708.2m。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的斷裂抽油桿樣品進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于機(jī)械損傷，屬于疲勞裂紋擴(kuò)展失效。分析表明，抽油桿的安全使用不僅要關(guān)注抽油桿的質(zhì)量，同時(shí)抽油桿使用過(guò)程的監(jiān)測(cè)控制也很重要。

2 失效抽油桿宏觀檢查及分析

2.1 宏觀形貌

圖1為斷裂推油桿樣品的宏觀形貌。從圖1可以看出，抽油桿從扳手方（接近凸緣）斷裂，樣品表面沒(méi)有明顯的腐蝕產(chǎn)物。圖2為推油桿的表面斷口形貌。從圖2可以看出，斷裂起源于扳手方棱角損傷處，與斷口大部分表面沒(méi)在同一平面，裂紋起源后從棱角向內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)較平坦，可觀察到放射條紋，符合疲勞斷裂特征。

圖1 斷裂推油桿的宏觀形貌

圖2 斷裂推油桿的表面斷口形貌

2.2 幾何尺寸測(cè)量

對(duì)抽油桿的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，抽油桿桿體、凸緣、扳手方及接箍尺寸均滿(mǎn)足SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 抽油桿幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

3 理化性能試驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分

對(duì)扳手方斷口附近及桿體的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，材質(zhì)為30CrMoA的扳手方與桿體的成分基本一致。且扳手方與桿體的化學(xué)成分均符合GB/T 26075—2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 抽油桿桿體化學(xué)成分

3.2 拉伸性能

從桿體截取試樣進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，桿體強(qiáng)度滿(mǎn)足SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比為0.964。

表3 抽油桿桿體拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.3 沖擊韌性

在抽油桿的鐓粗桿體和未鐓粗桿體處分別取2個(gè)沖擊試樣，依據(jù)GB/T 229—2007要求對(duì)抽油桿的沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可看出，26℃下兩種桿體的沖擊性能一致。

表4 抽油桿桿體縱向試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 硬度測(cè)試

對(duì)扳手方斷口附近和桿體進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表5及圖3。測(cè)試結(jié)果表明，桿體的洛氏硬度均值較扳手方高9.7%左右。依據(jù)式（1）將HRC值換算成抗拉強(qiáng)度，換算結(jié)果見(jiàn)表6。

式中： 17≤HRC≤50。

表5 扳手方斷口附近洛氏硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

圖3 桿體洛氏硬度測(cè)試結(jié)果

表6 洛氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度及實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.5 顯微組織分析

對(duì)扳手方斷口附近及桿體顯微組織進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看到，扳手方的組織為回火索氏體，其中扳手方心部的組織不均勻，晶粒度等級(jí)為6級(jí)；桿體的組織較細(xì)，晶粒度等級(jí)為7級(jí)。抽油桿的夾雜物形貌如圖5所示，結(jié)合圖片分析得出夾雜物等級(jí)，見(jiàn)表7。

圖4 扳手方斷口附近及桿體典型顯微組織形貌 500×

圖5 抽油桿典型夾雜物形貌 100×

表7 抽油桿夾雜物評(píng)定結(jié)果

4 檢測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 幾何尺寸及理化性能

抽油桿幾何尺寸符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求；扳手方斷口附近及桿體化學(xué)成分基本一致，均符合GB/T 26075—2010標(biāo)準(zhǔn)要求；扳手方和桿體的夾雜物等級(jí)較低，組織為回火索氏體，扳手方的組織較桿體粗大；桿體硬度較扳手方高9.7%；桿體拉伸性能符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 載荷分析

抽油桿斷前1天（2016年3月20日），工圖上顯示的最大載荷為140.8 kN（最大應(yīng)力366 MPa），最小載荷為64.8 kN（最小應(yīng)力168 MPa），交變荷載76 kN（交變應(yīng)力198 MPa）。在交變載荷的作用下，扳手方棱角與油管內(nèi)壁相互磨損，導(dǎo)致抽油桿表面噴丸強(qiáng)化層被磨掉，抗疲勞性能薄弱層露出，隨著周期性的載荷作用，疲勞損傷不斷積累，最終導(dǎo)致扳手方發(fā)生疲勞斷裂，扳手方棱角磨損是本次斷桿的誘發(fā)因素，交變載荷過(guò)大是導(dǎo)致本次斷桿的本質(zhì)原因。

抽油桿斷前1天，泵掛2 305.2 m，動(dòng)液面1 492 m，沉沒(méi)度813.2 m；在斷裂當(dāng)天，動(dòng)液面1 597 m，沉沒(méi)度708.2 m，沉沒(méi)度減小了105 m，導(dǎo)致抽油桿承受的載荷突增，而抽油桿剩余承載面積已很小，導(dǎo)致抽油桿最終斷裂。

綜上所述，本次抽油桿斷裂是因?yàn)榘馐址嚼饨怯袡C(jī)械磨損，產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)抽油桿表面噴丸強(qiáng)化層被磨掉后，此處出現(xiàn)疲勞裂紋，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展。當(dāng)抽油桿最終受力面積不足以承受拉伸載荷時(shí)，發(fā)生突然斷裂。

5 結(jié) 論

（1）抽油桿幾何尺寸及理化性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）抽油桿斷裂的主要原因是機(jī)械損傷導(dǎo)致疲勞斷裂。

（3）在保證抽油桿產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)使用過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，避免因?yàn)椴僮髟驅(qū)е鲁橛蜅U發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

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Failure Analysis of the 30CrMoA Sucker Rod

YANG Hongli,WANG Jun
（Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710061,China）

TE933.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.012

2017-04-17

編輯：黃蔚莉

楊宏利（1984—），本科，助理工程師，目前主要從事石油管材檢測(cè)及失效分析工作。