某HL級(jí)35CrMo抽油桿斷裂原因分析

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077)

抽油桿是機(jī)械采油系統(tǒng)中連接抽油機(jī)和抽油桿柱的重要零件之一，其在服役過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性對(duì)于油氣資源的開(kāi)采有著至關(guān)重要的影響。由于抽油桿在提升和下降過(guò)程中，受拉-壓疲勞應(yīng)力和采出液腐蝕的綜合作用，且服役工況復(fù)雜，因此失效事故頻發(fā)，給油田造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽油桿的失效形式主要有疲勞破壞、磨損破壞和腐蝕破壞[1-10]。

鋼制抽油桿根據(jù)其強(qiáng)度的不同可分為C、D和H級(jí)。其中，H級(jí)抽油桿又稱高強(qiáng)度抽油桿，根據(jù)制造工藝，H級(jí)抽油桿又可分為HY型和HL型。其中，HL型抽油桿的屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于793 MPa。HL型抽油桿廣泛使用于我國(guó)油田，尤其是西部油田，其井深大、地層壓力高，對(duì)抽油桿的強(qiáng)度要求也更高。

近年來(lái)，我國(guó)西部某油田連續(xù)發(fā)生了多起抽油桿斷裂失效事故，抽油桿的平均使用壽命不到半年，嚴(yán)重影響了油田的安全生產(chǎn)。如某油井抽油桿在連續(xù)生產(chǎn)僅152 d后即發(fā)生斷裂，斷裂處距抽油桿頂端約2.34 m(井深206.46 m)，斷面較平整。該抽油桿材料為35CrMo鋼，HL型，入井前為經(jīng)清洗、探傷合格的舊抽油桿。該油井初期日產(chǎn)液58.3 t，日產(chǎn)油58.2 t，含水量0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。生產(chǎn)過(guò)程中，液面由 183 m 緩慢下降至抽油桿失效前的1 655 m，后因抽油桿斷裂而關(guān)井。該油井累計(jì)產(chǎn)液11 956 t，產(chǎn)油11 932 t， 產(chǎn)水23 t。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，該油井生產(chǎn)期間硫化氫平均含量為16 540.43 mg/m3。本工作以該起典型抽油桿斷裂事故為例，通過(guò)對(duì)失效抽油桿的理化檢驗(yàn)分析了其失效原因，并提出預(yù)防措施，為油田在抽油桿的選擇和使用上提供指導(dǎo)，避免今后再次發(fā)生類(lèi)似事故。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

對(duì)失效抽油桿的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。從分析結(jié)果可以看出，該失效抽油桿的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)35CrMo鋼的要求。

表1 失效抽油桿的化學(xué)成分及其標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 金相分析

從失效抽油桿的表層、芯部及斷口取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果如表2及圖1～2所示。從分析結(jié)果可看出，斷口表面存在多處裂紋，呈沿晶特征，裂紋內(nèi)部有灰色物質(zhì)存在，裂紋周?chē)M織與基體一致。

表2 失效抽油桿的金相分析結(jié)果

(a) 表面

(b) 芯部圖1 失效抽油桿的顯微組織Fig.1 Microstructure of failed sucker rod:(a) surface; (b) core

(a) 沿晶裂紋

(b) 附近組織圖2 失效抽油桿斷口沿晶裂紋及附近組織Fig.2 Intergranular cracks (a) and adjacent microstructure (b) on the fracture of failed sucker rod

1.3 硬度測(cè)試

在失效抽油桿的不同位置進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，該失效抽油桿的硬度較高，平均為31.1HRC，且表面的硬度略高于芯部的硬度。

表3 失效抽油桿不同位置的硬度測(cè)試結(jié)果

1.4 拉伸性能

對(duì)失效抽油桿進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，失效抽油桿的拉伸性能符合SY/T 5029—2013《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)HL級(jí)抽油桿力學(xué)性能的要求。

表4 失效抽油桿的拉伸性能

1.5 斷口形貌分析

采用掃描電鏡觀察失效抽油桿的斷口形貌，如圖3和圖4所示。由圖3可見(jiàn):斷口明顯分為兩個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)；Ⅰ區(qū)平整，表面發(fā)黑，有明顯的腐蝕產(chǎn)物；Ⅱ區(qū)有剪切唇，無(wú)明顯的塑性變形，局部可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋，屬典型的疲勞斷口。由圖4可見(jiàn):Ⅰ區(qū)表面有明顯的腐蝕產(chǎn)物，且靠近外表面部位可觀察到明顯的腐蝕坑，其余部位表面存在大量的沿晶二次裂紋；Ⅱ區(qū)表面平整，腐蝕產(chǎn)物不明顯。

圖3 失效抽油桿斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of failed sucker rod

(a) Ⅰ區(qū)，低倍

(b) Ⅰ區(qū)，高倍

(c) Ⅱ區(qū)，低倍

(d) Ⅱ區(qū)，高倍

1.6 斷口表面腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)斷口表面不同部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖5中標(biāo)記的A1、A2、B1、B2四個(gè)點(diǎn)，其中A1、A2位于Ⅰ區(qū)，B1、B2位于Ⅱ區(qū)，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。分析結(jié)果表明:Ⅰ區(qū)表面覆蓋有大量的腐蝕產(chǎn)物，主要含有Fe、C、O、S等元素，其中S元素含量非常高；Ⅱ區(qū)表面無(wú)明顯的腐蝕產(chǎn)物，且基本無(wú)S元素。

1.7 硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

從失效抽油桿的完好部分取樣，依據(jù)NACE TM 0177—2016《金屬在硫化物環(huán)境中抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)A法對(duì)抽油桿試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試

圖5 斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析位置Fig.5 Positions of EDS analysis of corrosion products on surface of failed sucker rod

(a) A1

(b) A2圖6 斷口Ⅰ區(qū)的EDS分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of area I in fracture

(a) B1

(b) B2圖7 斷口Ⅱ區(qū)的EDS分析結(jié)果Fig.7 EDS analysis results of area Ⅱ in fracture

驗(yàn)，應(yīng)力加載量為80%名義屈服強(qiáng)度。在試驗(yàn)的過(guò)程中，3個(gè)試樣發(fā)生斷裂的時(shí)間分別為63，67，65 h，其腐蝕后的形貌如圖8所示。從分析結(jié)果可以看出，該抽油桿材料的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能較差，在井下高溫、高壓、高含量硫化氫的復(fù)雜工況下，容易發(fā)生硫化氫應(yīng)力開(kāi)裂。

圖8 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后試樣表面的宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of specimens after stress corrosion test

2 討論與分析

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抽油桿材料的理化性能進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，抽油桿的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)35CrMo鋼的要求，力學(xué)性能符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)HL級(jí)抽油桿力學(xué)性能的要求，金相組織無(wú)異常、無(wú)超尺寸非金屬夾雜物。

斷口微觀形貌及表面能譜分析結(jié)果表明，斷口可劃分為兩個(gè)區(qū)域，且兩個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)明顯不同的特征。Ⅰ區(qū)靠近表面部位，有明顯的腐蝕坑及多處呈沿晶特征的二次裂紋，斷口表面覆蓋有大量的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的主要化學(xué)成分為Fe、C、O、S等元素，其中S元素含量非常高，上述分析結(jié)果均呈現(xiàn)出硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征[11-12]。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該井硫化氫含量較高，生產(chǎn)期間其平均含量達(dá)16 540.43 mg/m3。該抽油桿硬度均大于22 HRC，且依據(jù)NACE TM 0177—2016標(biāo)準(zhǔn)A法進(jìn)行的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)平行試樣均發(fā)生斷裂，該抽油桿材料抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能較差，因此同時(shí)具備了發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境和材料雙重條件。硫化氫應(yīng)力腐蝕是一種低應(yīng)力破壞，在很低的拉應(yīng)力下都可能發(fā)生開(kāi)裂。隨著強(qiáng)度和硬度的提高，鋼材越容易發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[13]。對(duì)于高強(qiáng)度的鋼鐵材料，硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋往往為沿晶斷裂，裂紋有分岔，二次裂紋較多。當(dāng)硫化氫質(zhì)量濃度小于50 mg/mL時(shí)，對(duì)碳鋼的破壞需較長(zhǎng)時(shí)間，但對(duì)于高強(qiáng)度鋼，即使在硫化氫含量很低(1 mg/mL)的情況下仍能引起破壞。硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是從材料表面的局部陽(yáng)極溶解、位錯(cuò)露頭和蝕坑處起源的[14]。由于表面陽(yáng)極溶解和蝕坑處的應(yīng)力集中，氫原子易于富集，形成氫分子，因而導(dǎo)致脆性增大，當(dāng)氫含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，裂紋萌生。裂紋萌生后，裂紋內(nèi)的氫離子含量升高，使裂紋尖端電位變負(fù)，電化學(xué)去極化腐蝕加劇。裂紋尖端的腐蝕、氫含量的增加和應(yīng)力集中狀態(tài)使得裂紋快速擴(kuò)展，直至斷裂。

該失效抽油桿所用的35CrMo鋼是油田通用的抗腐蝕鋼材之一，在油田開(kāi)采中廣泛應(yīng)用，但在含硫化氫油氣田環(huán)境中該材料頻繁發(fā)生腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了油田生產(chǎn)[15-16]。研究表明[17-19]，35CrMo鋼在含硫化氫溶液中具有明顯的局部陽(yáng)極溶解現(xiàn)象(點(diǎn)蝕)，在點(diǎn)蝕坑內(nèi)部會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)點(diǎn)蝕坑生長(zhǎng)到一定深度和尺寸后，應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的交互作用會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生和長(zhǎng)大，直至材料斷裂。因此，在含硫化氫的酸性油田工況下，35CrMo鋼的應(yīng)力腐蝕機(jī)制為氫脆和陽(yáng)極溶解的共同作用。

該抽油桿斷裂位置位于井深206.46 m處，而生產(chǎn)過(guò)程中液面緩慢下降，液面由183 m下降至抽油桿失效前的1 655 m。因此，斷裂部位前期位于液面以下，而隨著液面不斷下降，斷裂部位很快處于液面以上。由此可判斷，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)形成于不同階段，Ⅰ區(qū)先于Ⅱ區(qū)形成。Ⅰ區(qū)斷口是在液面以下由于硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而形成的，Ⅰ區(qū)的形成造成局部應(yīng)力集中、抽油桿強(qiáng)度降低，在周期性交變載荷作用下，抽油桿發(fā)生疲勞斷裂，從而形成了斷口Ⅱ區(qū)。由于Ⅱ區(qū)是在液面以上形成的，因此Ⅱ區(qū)表面無(wú)明顯的腐蝕產(chǎn)物。

3 結(jié)論及建議

抽油桿斷裂的形成于兩個(gè)階段，前期的硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致抽油桿強(qiáng)度降低，并形成應(yīng)力集中，后期在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂。

對(duì)于含硫化氫的油井，應(yīng)嚴(yán)格避免使用抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能較差的抽油桿材料。