潛油電泵氣體處理器失效原因分析及對(duì)策

李志國

（中油國際（伊拉克）艾哈代布公司，北京 100083）

0 引言

某油田的潛油電泵生產(chǎn)井周期檢泵作業(yè)中發(fā)現(xiàn)潛油電泵機(jī)組氣體處理器出現(xiàn)斷裂脫落問題，該井井下介質(zhì)為固液混合，運(yùn)行壓力為16 MPa，井下溫度約為150℃，該潛油電泵氣體處理器材料為45號(hào)鋼，參照GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。

完全取出電潛泵設(shè)備以后，確定斷裂位置為接頭下20 cm位置，經(jīng)過掃描檢測(cè)，在接頭周邊還發(fā)現(xiàn)了兩處穿孔。電潛泵在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂和穿孔后，可以直接造成電潛泵功能失效，引起停產(chǎn)，因此分析電潛泵故障原因及處理方法是保障原油生產(chǎn)持續(xù)性的必要工作。

1 失效電泵氣體處理器宏觀失效狀況

對(duì)兩根氣體處理器進(jìn)行失效原因分析，其中1號(hào)失效處理器總長度約為112 cm，表面有暗紅色防腐涂層，涂層整體較為完整，管線沒有明顯的形變，穿孔位置位于出氣孔20 cm左右，緊鄰泵體連接處的螺紋區(qū)域，軸向距離約40 mm。2號(hào)失效處理其總長度約為204 cm，表面防腐涂層損傷明顯，表面存在大量的黃色鐵銹，斷口處沒有明顯的塑性變形，經(jīng)過掃描檢查，端口處呈45°斜角，屬于韌性斷裂。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾何尺寸測(cè)量

為了提高實(shí)驗(yàn)研究的整體精度以及結(jié)果的客觀性，采用美產(chǎn)超聲波測(cè)厚儀器進(jìn)行管壁的厚度測(cè)量工作，經(jīng)過測(cè)量顯示，潛油電泵外徑和管壁的厚度分布相對(duì)均與，基本符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，整體沒有塑性形變，其他位置相對(duì)完整。

2.2 無損探傷

無損探傷使用的是目前精度最高的cjz-212型號(hào)的磁粉探傷檢測(cè)機(jī)，它可以有效識(shí)別0.1 cm以上寬度的裂口。為了提高檢測(cè)精度使用顯像能力的熒光磁粉，經(jīng)過檢測(cè)沒有裂紋。

2.3 化學(xué)成分分析

為了更精準(zhǔn)客觀的分析泵體損傷的原因，對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參照《碳素鋼和中低合金鋼火花原子發(fā)射光譜分析法》進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用arl 4460光譜分析設(shè)備。檢查結(jié)果顯示外殼成分中包含碳、硅、錳、磷、硫、鉻、銅等金屬成分，各成本含量符合我國對(duì)45號(hào)鋼材的要求。

2.4 力學(xué)能力分析

力學(xué)能力分析是判斷外殼強(qiáng)度是否符合井下環(huán)境需求的研究內(nèi)容，首先對(duì)兩個(gè)潛油電泵外殼繼續(xù)拉伸實(shí)驗(yàn)，常溫下拉伸結(jié)果：1號(hào)外殼最終的屈服強(qiáng)度為742 MPa，超過742 MPa時(shí)外殼材料發(fā)生形變，在強(qiáng)度上升至819 MPa時(shí)，外殼材料出現(xiàn)了13%的形變；2號(hào)泵體外殼最終的屈服強(qiáng)度為756 MPa，在拉伸強(qiáng)度達(dá)到819 MPa時(shí)出現(xiàn)了12%的整體形變。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GB/T 699—1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，兩種外殼的拉伸延長測(cè)試不符合該標(biāo)準(zhǔn)?？梢娡鈿げ牧蠌?qiáng)度不足是潛油電泵失效的原因之一。

隨后對(duì)外殼進(jìn)行切割取樣，進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試方法參照布式硬度實(shí)驗(yàn)方法繼續(xù)進(jìn)行，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析最終確定1號(hào)泵殼材料硬度為243 HB，2號(hào)泵殼材料硬度為238 HB，而國標(biāo)鋼材硬度要求為229 HB以內(nèi)，因此兩種外殼在硬度上均不符合45號(hào)鋼材的要求。

2.5 金相分析

分別從1號(hào)和2號(hào)潛油電泵氣體處理其殼體以及穿孔處截面進(jìn)行金相分析，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜無含量的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》、GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，應(yīng)用MEF4M金相顯微鏡對(duì)其組織、非金屬夾雜物與晶粒度進(jìn)行分析，該殼體組織為珠光體P+鐵素體F，非金屬夾雜物等級(jí)分別為A 0.5、B 0.5、D 0.5，晶粒度等級(jí)為80%的9.5級(jí)與20%的6.5級(jí)，晶粒度不均勻，部分組織粗大。還可以觀察到穿孔和斷口附近組織有明顯的組織變形，且不均勻性，說明此處有應(yīng)力集中。

3 失效機(jī)理分析

3.1 穿孔失效分析

根據(jù)前文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出下述結(jié)論，首先兩個(gè)潛油電泵氣體處理器外殼厚度平均，外殼表面均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性形變，在經(jīng)過儀器檢測(cè)后也沒有發(fā)現(xiàn)外殼存在內(nèi)部損傷，經(jīng)過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)電泵氣體處理，其外殼金屬成分符合產(chǎn)品的相關(guān)要求，但通過力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，該外殼材料的拉伸強(qiáng)度以及硬度均不符合45號(hào)鋼材的相關(guān)要求，同時(shí)穿孔位置存在明顯的金相組織變形。

1號(hào)潛油電泵氣體處理器外殼穿孔位置處于螺紋連接處，穿孔呈貫穿式，初步判斷其與螺紋存在直接關(guān)系，穿孔呈橢圓形，穿孔斷壁表面輕微腐蝕，由此可以推斷1號(hào)泵的穿孔原因是螺紋部分剛體強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度不夠，在井下多種應(yīng)力的作用下螺紋區(qū)域出現(xiàn)了穿透性裂紋，在電泵高振動(dòng)頻率的工作下裂縫產(chǎn)生疲勞性擴(kuò)散，最終內(nèi)介質(zhì)由裂縫處刺穿形成穿孔。

3.2 斷裂失效分析

根據(jù)前文的試驗(yàn)分析可以得知，2號(hào)潛油電泵氣體處理器外殼斷裂位置的螺紋已經(jīng)無法用肉眼直接識(shí)別了，斷裂面有明顯的彎曲、呈45°角，斷裂位置有明顯的塑性形變的痕跡，可以判斷屬于韌性斷裂。根據(jù)廠家提供的資料顯示，為了降低設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的內(nèi)部腐蝕及磨損現(xiàn)象，在外殼與旋轉(zhuǎn)位置之間設(shè)置了不銹鋼內(nèi)襯，降低導(dǎo)輪與外殼之間的磨損。但內(nèi)襯在使用過程中會(huì)與內(nèi)螺紋產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致螺紋發(fā)生疲勞性損壞，以及一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生的腐蝕性損害。根據(jù)前期內(nèi)、外螺紋接觸區(qū)受力分布研究表明，其受力分布由高到低，在整個(gè)螺紋接頭中，外螺紋最大張應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在外螺紋倒數(shù)（由斷面向管體中部）2～3扣的螺紋牙根部，內(nèi)螺紋最大張應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)螺紋尾部區(qū)域。在該潛油電泵螺紋連接處，由于其內(nèi)螺紋區(qū)域較外螺紋區(qū)域長，導(dǎo)致內(nèi)、外螺紋嚙合時(shí)，內(nèi)螺紋尾部域與未嚙合螺紋牙疊加，進(jìn)一步增大了該區(qū)域應(yīng)力。

此外，2號(hào)泵殼斷裂位面也存在相對(duì)平坦的區(qū)域，說明該斷裂是經(jīng)過疲勞擴(kuò)展不斷發(fā)展最終產(chǎn)生斷裂的，這與泵殼鋼材性能有著直接的關(guān)系。根據(jù)前文的金相分析結(jié)果可以看出，2號(hào)泵體外殼材料中晶粒度較為粗大，遠(yuǎn)超相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍，導(dǎo)致外殼鋼材的強(qiáng)度分布不均勻，在受到應(yīng)力時(shí)容易出現(xiàn)斷裂的情況。綜上所述，2號(hào)潛油電泵氣體處理器外殼斷裂的最終原因是，外殼與內(nèi)襯層在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在機(jī)械磨損以及腐蝕性磨損，導(dǎo)致外殼厚度不斷減小，同時(shí)材料強(qiáng)度分布不均勻，在井下工作時(shí)受到多種外部應(yīng)力等多種因素的共同影響發(fā)生了疲勞性斷裂。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）潛油電泵殼體穿孔是由于螺紋處穿透性裂縫，在應(yīng)力作用下裂縫不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致穿孔的形成，這與螺紋連接處存在沒有咬合的內(nèi)螺紋也有著直接關(guān)聯(lián)。

（2）潛油電泵氣體處理氣外殼斷裂，與內(nèi)襯層腐蝕、材料性質(zhì)不符合產(chǎn)品設(shè)置需求以及井下高溫、高壓、高腐蝕性的環(huán)境有著直接聯(lián)系，其中組織粗大不均勻以及外殼腐蝕磨損程度較高時(shí)造成斷裂是直接原因。

4.2 建議

（1）減少接口位置的螺紋區(qū)域長度，讓內(nèi)、外螺紋長度相等，從而減小螺紋未咬合區(qū)域的最終承受應(yīng)力，降低裂縫疲勞性擴(kuò)張速度，減小穿孔發(fā)生的可能。

（2）加強(qiáng)對(duì)泵體外殼材料的檢查力度，控制電泵生產(chǎn)質(zhì)量水平，加強(qiáng)抽檢制度。