玻璃鋼抽油桿斷裂原因分析

宋成立,宋文文,李 巖,李 娜,梁明華,張華佳

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司,庫爾勒 841000)

某油田Y井完鉆深度為3 450 m，直井最大井斜2.2°，共計(jì)114根玻璃鋼抽油桿(總長約1 200 m)、225根鋼抽油桿(總長約1 800 m)，井溫96 ℃，含水率86%。該井發(fā)生抽油機(jī)故障停抽于上死點(diǎn)，組織檢抽作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，起甩原井抽油桿柱至第113根φ25 mm玻璃鋼桿斷裂，起出部分長9.82 m，斷裂位置約在井深1 166 m處，全桿縱向裂開呈劈散狀，如圖1所示。起管柱至露出斷裂抽油桿后，上提抽油桿懸質(zhì)量8 t增加至13 t后載荷又下降至8 t穩(wěn)定，后起甩玻璃鋼桿殘?bào)w及其他管柱，帶出φ38 mm柱塞完好，斷裂抽油桿上下桿柱無明顯偏磨，但抽油桿扶正器有明顯磨損，抽油桿接箍有明顯偏磨、磨亮現(xiàn)象，如圖2所示。

圖1 斷裂玻璃鋼抽油桿桿體宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured fiberglass sucker rod

玻璃鋼抽油桿是由玻璃鋼桿體和兩端帶螺紋的鋼接頭經(jīng)高黏度環(huán)氧樹脂黏合劑黏接而成，桿體是由樹脂和玻璃纖維按一定比例通過拉擠工藝制作而成的[1]，具有質(zhì)量輕、彈性大、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在油田得到了越來越多的應(yīng)用[2]，其常規(guī)性能參數(shù)要求如表1所示[3]。作者對(duì)該失效玻璃鋼抽油桿進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析，以明確該玻璃鋼抽油桿斷裂的主要原因并提出了防止此類事故再次發(fā)生的措施。

圖2 接箍偏磨宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of eccentric wear of coupling

1 理化檢驗(yàn)

1.1 尺寸測(cè)量

利用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)對(duì)失效玻璃鋼抽油桿兩端完好桿體的直徑進(jìn)行測(cè)量，兩段玻璃鋼桿累計(jì)長度1 300 mm，每隔130 mm選取一個(gè)截面，每個(gè)截面測(cè)量3次(相互間隔120°測(cè)量)，測(cè)量位置示意圖如圖3所示，測(cè)量結(jié)果見表2。

圖3 玻璃鋼抽油桿直徑測(cè)量示意圖Fig.3 Diagram for diameter measurement of the fiberglass sucker rod

表1 玻璃鋼抽油桿性能參數(shù)要求Tab.1 Performance parameter requirements of the fiberglass sucker rod

表2 玻璃鋼抽油桿直徑測(cè)量結(jié)果Tab.2 Diameter measurement results of the fiberglass sucker rod mm

1.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度檢測(cè)

依據(jù)SY/T 6267—2018《高壓玻璃纖維管線管》，在玻璃鋼桿上取3個(gè)平行試樣，采用AQ200型示差掃描量熱儀檢測(cè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果見表3。

表3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test results of glass transition temperature

1.3 樹脂含量檢測(cè)

依據(jù)GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》，在玻璃鋼桿上取3個(gè)平行試樣，采用LE4/11/R6型馬弗爐進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)，并根據(jù)下式計(jì)算樹脂含量

(1)

式中：wr為樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m2為坩堝+試樣質(zhì)量，g；m3為灼燒后坩堝+試樣質(zhì)量，g；m1為坩堝質(zhì)量，g。

表4 樹脂含量檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test results of resin content

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.4.1 拉伸性能

依據(jù)GB/T 13096—2008《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，在同批次完好玻璃鋼抽油桿體上取3個(gè)試樣，試樣長度為700 mm，采用SHT4106型萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃鋼抽油桿體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中對(duì)拉伸試驗(yàn)夾具進(jìn)行了改造，主要將鋁合金夾具更換為碳鋼夾具(鋁合金夾具硬度低，在試驗(yàn)中極易發(fā)生變形)。隨著試驗(yàn)中加載力的增大，桿體斷續(xù)發(fā)出響聲，在斷裂瞬間響聲最大且伴有樹脂碎片飛濺，試驗(yàn)后桿體外表面均僅有少量纖維與桿體分離，但從中部鋸開后發(fā)現(xiàn)纖維均已發(fā)生縱向開裂，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，玻璃鋼抽油桿體的抗拉強(qiáng)度為588 MPa。

將試驗(yàn)后的玻璃鋼抽油桿體再次拉伸，桿體發(fā)生了明顯的斷裂，呈縱向劈散形貌，如圖5所示，與失效的玻璃鋼抽油桿斷裂形貌類似。

圖4 玻璃鋼抽油桿拉伸試樣斷裂前后宏觀形貌Fig.4 Macro morphology before and after fracture oftensile sample of the fiberglass sucker rod:a) before the test; b) after the test; c) middle section

圖5 玻璃鋼抽油桿劈散宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of split and scatter of the fiberglass sucker rod

1.4.2 壓縮性能

依據(jù)GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，在同批次完好玻璃鋼抽油桿體上取3個(gè)試樣，試樣高度為25 mm，采用UH-F500KNI型萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)中隨著加載力的增大，試樣斷續(xù)發(fā)出響聲，在斷裂瞬間響聲最大且伴有樹脂碎片飛濺，最終試樣發(fā)生縱向開裂，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果見表6，其中平均壓縮強(qiáng)度為559 MPa。

表5 玻璃鋼抽油桿拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile test results of the fiberglass sucker rod

圖6 壓縮試驗(yàn)后試樣宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of samples after compression test

表6 玻璃鋼抽油桿壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Compression test results of the fiberglass sucker rod

1.4.3 硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 3854—2005《增強(qiáng)塑料巴柯爾硬度試驗(yàn)方法》，在玻璃鋼抽油桿體上取一個(gè)全截面試樣，試樣長度為50 mm，采用GY2J-934-1型巴氏硬度計(jì)，對(duì)試樣的橫截面和外表面分別進(jìn)行硬度測(cè)試，其中壓點(diǎn)到試樣邊緣以及壓點(diǎn)與壓點(diǎn)之間的距離均不小于3 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，可見橫截面和外表面的硬度分別為75 HBa和80 HBa。

2 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該玻璃鋼抽油桿的直徑、樹脂含量、彈性模量、硬度均滿足其性能要求，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)高于工作溫度，不存在軟化變形的風(fēng)險(xiǎn)，但抗拉強(qiáng)度低于其性能要求，表明其力學(xué)性能出現(xiàn)異常。

表7 玻璃鋼抽油桿硬度測(cè)試結(jié)果Tab.7 Hardness test results of the fiberglass sucker rod HBa

具體斷裂原因分析如下：首先，該玻璃鋼抽油桿的受力狀態(tài)是不斷變化的，上行時(shí)，玻璃鋼抽油桿一般處于受拉狀態(tài)，而下行時(shí)，由于液流通過抽油泵的游動(dòng)閥，對(duì)抽油泵柱塞產(chǎn)生向上的流動(dòng)阻力，同時(shí)還有向上的摩擦阻力，即上部受拉，下部受壓，處于受壓位置的某根玻璃鋼抽油桿可能產(chǎn)生過大的縱向彎曲[5-6]，因此，玻璃鋼抽油桿承受著反復(fù)的拉伸和壓縮載荷。拉伸試驗(yàn)結(jié)果也顯示，該玻璃鋼抽油桿在拉伸試驗(yàn)后，纖維發(fā)生局部斷裂且縱向分離，再次拉伸后引起更多纖維斷裂且分離，呈劈散形貌，壓縮試驗(yàn)也顯示其斷裂形貌呈劈散狀，均與其實(shí)際失效形貌一致。加之其本身抗拉強(qiáng)度低于要求值，極易在作業(yè)中發(fā)生斷裂失效。

其次，該井含水量較大，增大了玻璃鋼抽油桿的浮力使其屈曲的臨界壓力降低，進(jìn)而容易彎曲而發(fā)生偏磨[7]，以及該井存在2.2°傾斜，玻璃鋼抽油桿與油管接觸而發(fā)生偏磨是不可避免的[8]，而實(shí)際也發(fā)現(xiàn)該玻璃鋼抽油桿接箍發(fā)生偏磨，由此會(huì)增加玻璃鋼抽油桿的受力而加速其發(fā)生斷裂失效。

因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況情況可以推斷，由于該玻璃鋼抽油桿抗拉強(qiáng)度低于要求值，并承受著反復(fù)拉壓作用，因此玻璃纖維逐步斷裂成劈散形貌。接箍與井壁的偏磨使玻璃鋼抽油桿體受力變大，加速了桿體的斷裂。

3 結(jié)論及建議

該玻璃鋼抽油桿抗拉強(qiáng)度低于要求值，材料不合格，在作業(yè)過程中承受反復(fù)拉壓作用后，玻璃纖維逐步斷裂成劈散形貌，接箍與井壁的偏磨加速了桿體的斷裂。

建議對(duì)玻璃鋼抽油桿在到貨抽檢時(shí)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，確保其滿足性能要求或根據(jù)實(shí)測(cè)玻璃鋼抽油桿承載能力來設(shè)定作業(yè)載荷。建議采用尼龍扶正、管桿旋轉(zhuǎn)、調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)等方法防止玻璃鋼桿體與井壁偏磨的發(fā)生。