抽油桿腐蝕缺陷形貌對(duì)壽命影響的研究

許猛 馮松

摘 要：抽油桿的服役條件是承受不對(duì)稱循環(huán)載荷的作用和承受腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，其中由于產(chǎn)生腐蝕坑而引起的斷桿占到40%以上。目前沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定不同腐蝕程度的抽油桿是否能再利用。本文通過(guò)逆向工程，疲勞強(qiáng)度分析，數(shù)據(jù)處理等方法，提出了一套確定不同腐蝕程度對(duì)抽油桿剩余壽命影響的方法。

關(guān)鍵詞：抽油桿;腐蝕;逆向工程;疲勞分析;數(shù)據(jù)處理;剩余壽命

引言

抽油桿是有桿抽抽油設(shè)備的重要部件。由抽油桿組成的抽油桿柱上接光桿，下接抽油泵柱塞，將地面上的抽油機(jī)的能量傳到地下，帶動(dòng)井下抽油泵工作。抽抽桿的主要失效形式是疲勞斷裂或者腐蝕疲勞失效。文獻(xiàn)[1-3]均提到抽油桿腐蝕，可知抽油桿腐蝕是抽油桿發(fā)生疲勞斷裂的源頭。所以，研究抽油桿腐蝕坑對(duì)抽油桿服役期限的影響是非常重要的。

本文通過(guò)對(duì)帶有腐蝕坑的直徑為22mm的D級(jí)抽油桿（20CrMo鋼）進(jìn)行加工，采集抽油桿腐蝕坑處的斷面圖像，利用Matlab、Solidworks、Ansys、First Optimization、等找出腐蝕坑幾何特征參數(shù)與抽油桿剩余壽命之間的關(guān)系。

1 信息提取模型建立

對(duì)帶有腐蝕坑的抽油桿段在普通車床上進(jìn)行車削加工，固定好相機(jī)，調(diào)好焦距，給三爪卡盤選好定位基準(zhǔn)，每車削0.2mm停車一次并將三爪卡盤旋轉(zhuǎn)到基準(zhǔn)位置，進(jìn)行拍照，利用MATLAB提取到端面圖像信息并建立三維模型。如圖2所示。

2 腐蝕坑對(duì)抽油桿強(qiáng)度的影響

分別建立軸向長(zhǎng)度，徑向深度與橫向?qū)挾绕渲幸豁?xiàng)不變而其他數(shù)據(jù)變化的三維模型，并導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行有限元分析提取應(yīng)力值表1模擬數(shù)據(jù)

表中的k，x，y為d=22mm的抽油桿上腐蝕坑模型的集合尺寸，k為軸向，x垂直于k，y為徑向。

采用不同優(yōu)化方法擬合表中所有數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)牛頓法（BFGS） +

通用全局優(yōu)化法均方差（RMSE）： 0.054和相關(guān)系數(shù)（R）： 0.931最小，證明該方法最優(yōu)。所以應(yīng)力集中公式為

p1=10.0524;p2=-2.6040E-5;p3=-23211.3284;p4=0.0047;p5=-0.3369;

利用表中所得的結(jié)果對(duì)此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)

從表中數(shù)據(jù)百分差可以看出，函數(shù)模型所得的計(jì)算結(jié)果都大于模擬分析所得的結(jié)果，且在10%以內(nèi)。綜上，這個(gè)函數(shù)模型是正確的。

3 帶腐蝕坑的抽油桿的剩余壽命分析

在交變負(fù)荷下，抽油桿往往是由于疲勞而發(fā)生破壞，而不是在最大的應(yīng)力下破壞。所以抽油桿必須根據(jù)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)測(cè)一口井A使用CYJ5-1812抽油機(jī)，I=3.2m，r=0.74m，泵掛深度為808m，沖程S=2.7米。沖數(shù)n=9次/min，使用直徑為22mm的D級(jí)抽油桿，原油密度為960kg/m3，油井含水高。抽油桿最大應(yīng)力值為107.4MPa。

如果腐蝕坑處發(fā)生疲勞破壞，則其應(yīng)力集中系數(shù)必須大于。

當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)小于3.82時(shí)，腐蝕坑處不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，還可以安全服役的次數(shù)大于等于107次。下面計(jì)算當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)大于3.82時(shí)，抽油桿的剩余壽命與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系。

該井的檢修周期為2年，循環(huán)應(yīng)力次數(shù)為N1=9.46×106次，可以認(rèn)為腐蝕坑的應(yīng)力集中系數(shù)是線性變化的，取從開始產(chǎn)生損傷的應(yīng)力集中系數(shù)3.82和檢測(cè)時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)z的平均數(shù)作為估算此階段的循環(huán)次數(shù)，約為次。從而就可以估算出桿的損傷程度，推知抽油桿的剩余壽命。安全系數(shù)1.1，得到抽油桿腐蝕坑處的應(yīng)力集中系數(shù)與剩余壽命關(guān)系為

當(dāng)3.82

當(dāng)z<3.82時(shí)，其安全服役的次數(shù)大于等于107次。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)20CrMo鋼抽油桿的腐蝕坑模型的三維重建與模擬分析，找出了抽油桿腐蝕坑的長(zhǎng)、寬和深對(duì)壽命影響的關(guān)系，這樣通過(guò)這兩項(xiàng)技術(shù)就可以判斷被腐蝕的抽油桿是否能安全服役。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳則中，李景文. 有桿抽油設(shè)備與技術(shù)[M]，北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[2] 葉俊，姜炳衛(wèi). 中原油田金屬設(shè)備腐蝕調(diào)查[J]，石油化工腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1997：329-331.

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