抽油桿疲勞性能實(shí)驗(yàn)分析

梁毅，趙春，樊松，雷宇，石海霞

（1. 中國石油長慶油田分公司，西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018）

抽油機(jī)有桿泵采油占人工舉升80%以上，抽油桿在其中起著至關(guān)重要的作用。D 級和H 級抽油桿是油田最常用的兩種抽油桿，通過現(xiàn)場應(yīng)用分析，因抽油桿斷裂造成油井修井的比例達(dá)35%，直接增加了油井生產(chǎn)運(yùn)行成本。由此可見，確保抽油桿的正常工作具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

美國古德曼（Goodman）用實(shí)驗(yàn)的方式得到了抽油桿使用壽命可達(dá)1000 萬次而不至于發(fā)生斷裂的結(jié)論[10]。國內(nèi)路永明、林元華等[19]提出了預(yù)測抽油桿疲勞壽命的Paris 模型和Forman 模型。駱競晞等人[24]運(yùn)用Paris 模型分析了當(dāng)抽油桿存在可擴(kuò)展裂紋時的剩余壽命。胡雨人等人[25]提出通過實(shí)測抽油桿材料的力學(xué)性能去推測疲勞特性的方法。以上研究方法均未充分考慮油井生產(chǎn)過程中抽油桿所受的井液腐蝕、拉壓載荷等實(shí)際工作環(huán)境。因此，文中模擬抽油桿實(shí)際工作環(huán)境條件下（載荷條件和腐蝕介質(zhì)），對D 級和H級抽油桿進(jìn)行材質(zhì)成分分析、靜強(qiáng)度測試、空氣介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)下的疲勞強(qiáng)度測試等實(shí)驗(yàn)分析工作，對兩種抽油桿的疲勞性能作出評價，為抽油桿的選擇提供指導(dǎo)。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用D 級和H 級抽油桿柱，采用島津電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，嚴(yán)格按照GB 6397—86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》執(zhí)行，開展抽油桿拉伸性能和腐蝕疲勞性能測試。

1.1 拉伸性能測試

為了能更好地進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)的疲勞試驗(yàn)，首先應(yīng)該清楚抽油桿的基本力學(xué)性能指標(biāo)。通過對試樣進(jìn)行大氣中的靜拉伸試驗(yàn)，從而計(jì)算出材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)。兩種抽油桿化學(xué)成分見表1。

表1 D 級和H 級抽油桿柱的化學(xué)成分 %

在大氣室溫下進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，為計(jì)算各種力學(xué)性能指標(biāo)，引用式（1）—（3）。經(jīng)計(jì)算后，D 級和H 級抽油桿柱的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

式中：P 為試驗(yàn)機(jī)所施加的載荷值；A0為試樣原始截面積；A1為試樣斷裂處截面積；L1為試樣斷裂后標(biāo)距；L0為試樣原始標(biāo)距。

表2 材料力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 腐蝕疲勞性能測試

在油井實(shí)際生產(chǎn)條件下，抽油桿斷裂與井筒腐蝕狀況有直接的關(guān)系。因此，通過疲勞試驗(yàn)測得抽油桿型號在各種腐蝕介質(zhì)中的疲勞性能指標(biāo)，進(jìn)行對比分析，以便為工況選材提供必要的依據(jù)。

取頻率f=10 Hz、應(yīng)力比R=0.1 的正弦波形，在室溫下進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)的起始載荷應(yīng)力一般取值：σmax≈0.9σb，設(shè)循環(huán)應(yīng)力幅值為σa。

由式（4）、（5）聯(lián)立求解，可求得最小應(yīng)力σmin及應(yīng)力幅值σa，于是求得平均應(yīng)力σm：

根據(jù)以上計(jì)算得出的σm、σa及相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

1.2.1 抽油桿在不同介質(zhì)中疲勞性能

分別考慮井液介質(zhì)含水率為100%、85%、4%和空氣的情況下，開展D 級和H 級的疲勞性能實(shí)驗(yàn)。從圖1 可以看出，D 級和H 級抽油桿在原油中的抗疲勞性能隨油水混合介質(zhì)中含水率的增加而急劇下降，H 級抽油桿降低的幅度更大一些，說明含水率是影響疲勞性能的最主要參數(shù)。含水100%對抽油桿材料的腐蝕性最大，因?yàn)楫a(chǎn)出液由油包水型變?yōu)樗托?，管桿表面由油潤濕變?yōu)樗疂櫇瘢チ嗽偷谋Ｗo(hù)作用，加快了管桿之間腐蝕的速度。含水率低時，管桿摩擦面處于良好的油潤滑狀態(tài)，動摩擦因數(shù)較小，磨損較輕；當(dāng)含水率高時，管桿摩擦處于水潤滑狀態(tài)，動摩擦因數(shù)大大增加，加快了管桿磨損。

由圖2 可以看出，在空氣中，H 級桿的抗疲勞性能高于D 級抽油桿。當(dāng)含水率上升時，H 級桿的抗疲勞性能顯著低于D 級抽油桿。

圖1 抽油桿在不同介質(zhì)中疲勞壽命曲線

圖2 抽油桿在空氣中和井液介質(zhì)含水率85%下的疲勞壽命曲線

1.2.2 拉壓載荷對抽油桿腐蝕疲勞性能的影響

抽油桿在使用過程中，既受到拉應(yīng)力作用，同時在中和點(diǎn)以下還受到壓應(yīng)力作用。為了弄清楚壓載荷對抽油桿柱腐蝕疲勞性能的影響及影響程度，測試?yán)瓑狠d荷對抽油桿腐蝕疲勞性能的影響，如圖3 所示?？梢钥闯觯瓑狠d荷對兩種抽油桿都有一定影響。D級抽油桿在應(yīng)力幅小于190 MPa 時，壓應(yīng)力的疲勞壽命略低于拉應(yīng)力作用下的壽命；H 級抽油桿兩條曲線在應(yīng)力幅小于177 MPa 時，壓應(yīng)力的疲勞壽命略低于拉應(yīng)力作用下的壽命。分析得出，應(yīng)力幅為某一值時，該點(diǎn)的拉、壓載荷相等，即該點(diǎn)處為抽油桿中和點(diǎn)，受力為0。當(dāng)應(yīng)力幅小于該點(diǎn)值時，即中和點(diǎn)以下的螺旋彎曲所產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力會使抽油桿加速偏磨，致使抽油桿斷裂。

圖3 抽油桿在純水下的拉壓載荷疲勞壽命曲線

2 腐蝕疲勞性能差異的原因分析

通過以上實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算，可以得出H 級抽油桿在空氣中的抗疲勞性能明顯優(yōu)于D 級抽油桿，主要原因?yàn)椋?/p>

1）從材料成分來看，H 級抽油桿中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.344%，而D 級抽油桿為0.252%。含碳量高的材料，抗拉強(qiáng)度高，因此空氣中HL 級抽油桿性能優(yōu)于D 級。

2）從材料硬度分析，H 級抽油桿的洛氏硬度和顯微硬度均低于D 級抽油桿，因此D 級抽油桿比H級致脆。在空氣中作疲勞試驗(yàn)，H 級抽油桿的壽命明顯高于D 級抽油桿。

3）從靜拉伸試驗(yàn)中也可以證明，H 級抽油桿的抗拉強(qiáng)度高于D 級，并且屈服強(qiáng)度高于D 級，所以H 級抽油桿在空氣中的抗疲勞性能優(yōu)于D 級。

通過以上實(shí)驗(yàn)分析，可以得出在原油、油水混合介質(zhì)和純凈水的腐蝕環(huán)境下，H 級抽油桿的抗腐蝕性能低于D 級。隨著油中含水量的增加，兩種型號抽油桿的抗疲勞性能趨于一致。在較高應(yīng)力區(qū)，H 級抽油桿的抗腐蝕疲勞性能略低于D 級抽油桿，主要是抽油桿中合金元素的影響。

由表1 和表2 可以看出，D 級抽油桿材料中Si、Cr 合金元素含量均高于H 級抽油桿。Si 元素含量高的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕的作用。Cr 元素使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，因此D 級抽油桿的抗腐蝕性能高于H 級。

3 結(jié)論

1）H 級抽油桿的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等基本力學(xué)性能指標(biāo)及空氣中的疲勞壽命均優(yōu)于D 級抽油桿。

2）含水率是影響抽油桿腐蝕疲勞性能的關(guān)鍵因素。隨著含水的增加，抽油桿疲勞壽命降低，并且H級抽油桿降低的幅度更大。當(dāng)含水率較低時，含水率稍微有所增加，壽命大幅度降低；當(dāng)含水較高時，壽命降低幅度不大。因此，H 級抽油桿應(yīng)在低含水區(qū)塊應(yīng)用，D 級抽油桿在中高含水區(qū)塊應(yīng)用。

3）抽油桿壓應(yīng)力引起的中和點(diǎn)以下的螺旋彎曲所產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力，是導(dǎo)致抽油桿偏磨的直接原因，因此在中和點(diǎn)以下應(yīng)優(yōu)化扶正防磨設(shè)計(jì)，延緩抽油桿斷裂。

4）在中高含水區(qū)塊，應(yīng)加大對服役年限較長的抽油桿更換力度，以減少和預(yù)防抽油桿斷裂事故的發(fā)生。