油田用噴焊光桿斷裂失效機(jī)理分析研究※

冷傳基

（1.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營25700；2.中國石化勝利油田檢測評價研究有限公司，山東 東營25700）

0 前言

機(jī)械采油是各油田主要的采油方式，其三抽設(shè)備包括抽油泵、抽油桿、抽油機(jī)，而光桿是連接抽油機(jī)和抽油桿的重要組成部分，和井口裝置配合保證采出液順利進(jìn)入地面管線系統(tǒng)，光桿質(zhì)量的可靠性及穩(wěn)定性是油井生產(chǎn)的重要保障[1-3]。在采油過程中，光桿一方面承受不對稱循環(huán)載荷作用，承受拉-拉變應(yīng)力或拉-壓交變應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力疲勞[4-5]，另一方面承受井口盤根盒的交互摩擦以及井液腐蝕、砂粒磨損，造成光桿表面點(diǎn)蝕、劃傷、磨損等缺陷[6-8]。目前，采油用光桿主要有普通光桿和噴焊光桿兩種類型，普通光桿不做表面處理，生產(chǎn)工藝類似于普通鋼制抽油桿，防腐耐磨性能一般，噴焊光桿表面噴焊重熔防腐金屬層，提高了表層硬度和防腐性能[9]。油田開發(fā)后期，腐蝕越來越嚴(yán)重，噴焊光桿得到推廣使用，由于噴焊工藝復(fù)雜，對產(chǎn)品制造過程控制要求嚴(yán)格，在噴焊重熔后，桿體外部表面部位會產(chǎn)生兩層硬層，如果工藝控制不嚴(yán)格，會造成桿體強(qiáng)度增高，韌性降低，桿體疲勞性能降低。近期，某油田出現(xiàn)了多次噴焊光桿斷裂失效情況，為此，有必要對失效噴焊光桿進(jìn)行分析，找出失效原因，為噴焊光桿的使用提供推薦意見。

1 現(xiàn)場失效情況

抽油機(jī)為游梁式抽油機(jī)，油井泵掛深度為2000 m,沖次為4 次/分,泵徑為φ44 mm，噴焊光桿型號為φ28 H 型，噴焊桿體斷裂位置距桿尾1680 mm，斷裂失效部位附近有三處打卡牙痕，牙痕沿著軸向長度約15 cm。

圖1 試驗(yàn)樣品

2 試驗(yàn)分析

2.1 化學(xué)成分分析

H 級抽油桿化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T 26075-2010《抽油桿用圓鋼》中所列的系列鋼材或等效鋼材的任一化學(xué)成分,使用直讀光譜儀對光桿基體化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果符合30CrMoA材質(zhì)要求,見表1。

表1 基體化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

在掃描電鏡下對噴焊層和基體過渡區(qū)進(jìn)行EDS 線掃觀察，線掃方向沿著桿體徑向由內(nèi)向外，線掃結(jié)果如圖2所示。基體元素主要元素F e，含有少量的Cr、Ni，與光譜分析結(jié)果一致，噴焊層主要元素為Ni，含有一定量的Cr,為不銹鋼材料，防腐性能良好。噴焊層與基體界面處的元素顯示為陡降或陡升關(guān)系，成分過渡區(qū)域約為3 μm，兩相幾乎沒有相互稀釋，噴焊層結(jié)合能力一般。

圖2 基體與噴焊層EDS 分析

2.2 表面硬層深度

用金相顯微鏡對桿體噴焊層深度、淬硬層深度進(jìn)行檢測，如圖3所示，噴焊層單邊厚度約為0.20 mm，厚度均勻分布；淬硬層深度約為2 mm。其中噴焊深度滿足SY/T 5029-2013 《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)對噴焊光桿噴焊層厚度的要求。

圖3 表面硬層深度

2.3 組織分析

沿桿體徑向制樣，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)桿體截面由心部向外有5 個區(qū)別比較明顯的區(qū)域，如圖4(a)所示。用金相顯微鏡對不同區(qū)域金相組織進(jìn)行分析，在金相顯微鏡下觀察，如圖4 中(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。

分析試驗(yàn)結(jié)果，圖4（b）桿體心部為回火索氏體，伴有少量的貝氏體出現(xiàn)，是桿體噴焊重熔前原始組織，區(qū)域直徑約為14 mm；圖4（c）為回火索氏體，是桿體表面重熔過程中慢速回火形成的組織，內(nèi)側(cè)距離桿體表面約5 mm，表明重熔加熱對桿體的熱影響深度為5 mm；圖4（d）為鐵素體+珠光體，是重熔后的熱影響區(qū)，其中鐵素體的出現(xiàn)與淬火過程中加熱溫度、冷卻速度有關(guān)；圖4（e）為板條馬氏體，是表面重熔后淬火形成的淬硬層組織；圖4（f）是淬硬層與熱影響區(qū)過渡區(qū)，右側(cè)主要為淬硬層馬氏體組織，左側(cè)熱影響區(qū)馬氏體減少，索氏體增多；最外層為噴焊層，為Ni基不銹鋼。

圖4 金相組織分析

2.4 桿體力學(xué)性能

在桿體靠近失效部位截取50 cm 試樣三段，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果取平均值，得到桿體抗拉強(qiáng)度；用數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)沿桿體徑向，由心部向外，測量桿體不同部位顯微硬度值。測試結(jié)果見表2。

表2 硬度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，桿體噴焊處理后桿體抗拉強(qiáng)度較高，達(dá)到了H 級桿的技術(shù)要求，且試驗(yàn)數(shù)值接近H 級桿抗拉強(qiáng)度上限值（1195 MPa），桿體脆性較大。顯微硬度試驗(yàn)值沿著桿體徑向由心部向外表面有增大的趨勢。桿體心部硬度滿足HY 級普通鋼制抽油桿心部硬度要求，韌性較好；淬硬層硬度低于HY 級普通鋼制抽油桿淬硬層硬度要求（42 HRC），噴焊層硬度滿足SY/T 5029-2013《抽油桿》中噴焊光桿噴焊層要求(480 HV0.2)。

2.4 斷口形貌分析

觀察斷口宏觀形貌特征。斷裂位置經(jīng)歷了疲勞裂紋萌生、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個階段，在斷口上形成疲勞裂紋源圖5（a）、裂紋擴(kuò)展區(qū)圖5（b）、瞬斷區(qū)圖5（c）三個區(qū)域，呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂特征?？拷鼦U體表面的近裂紋源區(qū)，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋逐步擴(kuò)展，擴(kuò)展前期速度較慢，斷口面細(xì)膩、平整，隨著擴(kuò)展速度的加快，斷口變得越來越粗糙，后期出現(xiàn)垂直于裂紋擴(kuò)展方向的弧形線，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸，桿體不再能承受抽油機(jī)上行載荷，桿體瞬時斷裂，并形成45°剪切唇，見圖6。

圖5 斷口SEM 形貌

利用掃描電鏡對斷口形貌進(jìn)行分析。觀察圖6（a）發(fā)現(xiàn)，在桿體外表面噴焊層出現(xiàn)一條垂直于噴焊層軸向工藝方向的徑向裂紋，裂紋由外表面擴(kuò)展至噴焊層與基體界面處。進(jìn)一步觀察，由于裂紋的存在，裂紋界面處噴焊層與基體結(jié)合沿著軸向進(jìn)一步產(chǎn)生萌生裂紋，造成噴焊層結(jié)合力降低，失效風(fēng)險升高；圖6（b）中，裂紋源區(qū)呈現(xiàn)出一定塑性斷裂特征，在斷裂面分布有多條細(xì)小裂紋；圖6（c）中穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)存在明顯的疲勞條紋，疲勞條紋形成細(xì)小的韌窩；圖6（d）中瞬斷區(qū)存在大量的大小不等的韌窩，呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征，瞬斷區(qū)環(huán)向約占外圓周長的1/3，面積約占1/6 斷口截面。

圖6 宏觀斷口形貌

對桿體斷面外噴焊層表面軸向進(jìn)行觀察。如圖7所示，觀察發(fā)現(xiàn)在桿體噴焊層外表面沿著斷口垂直方向有一條軸向裂紋，裂紋長度約490 μm。

圖7 斷口處桿體表面SEM 分析

3 分析結(jié)論

（1）失效樣品基體化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，噴焊層主要化學(xué)元素為Ni，防腐效果較好，基體與噴焊層EDS 分析顯示基體和噴焊層過渡區(qū)較小，噴焊層結(jié)合能力一般。

（2）桿體基體化學(xué)成分分析結(jié)果表明，桿體基體材料選用30CrMoA，與20CrMoA 的含碳量相比，30CrMoA 偏高，相同工藝條件下，桿體整體強(qiáng)度高，韌性一般，調(diào)質(zhì)處理控制難，桿體力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品桿體抗拉強(qiáng)度接近H 級桿上限，桿體脆性大，失效風(fēng)險高。因此，建議選用20CrMoA 作為噴焊光桿基體材料。

（3）桿體表面存在兩層硬層，分別為噴焊層和淬火層。由此分析生產(chǎn)工藝，Ni 基合金在桿體重熔過程中，桿體表面瞬間產(chǎn)生1000℃的高溫使Ni 基合金與基體重熔，重熔后水中急冷，桿體表面形成淬硬層，淬硬層為典型的馬氏體組織，硬度較高，脆性大，且淬硬層對桿體整體抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，造成桿體抗拉強(qiáng)度偏高，使得噴焊光桿韌性差，在油井拉-拉載荷作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。因此，建議改變噴焊生產(chǎn)工藝，重熔后空冷，消除馬氏體組織，并增加淬火+回火調(diào)質(zhì)工藝流程，保證桿體強(qiáng)度要求，提高桿體疲勞強(qiáng)度。

（4）斷口分析結(jié)果表明，斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。抽油桿疲勞斷裂一般是從桿體表面應(yīng)力集中處或缺陷處產(chǎn)生，產(chǎn)生過早疲勞斷裂的因素有顯微組織、表面狀態(tài)和夾雜物等[4]。由于噴焊重熔工藝的影響，光桿桿體金相組織復(fù)雜，由內(nèi)向外存在5 個不同的區(qū)域，使得桿體產(chǎn)生脆性疲勞裂紋的風(fēng)險增高；通過斷裂面SEM 分析，在噴焊層發(fā)現(xiàn)徑向裂紋，在桿體外表面軸向發(fā)現(xiàn)軸向裂紋。分析斷裂原因，一方面在油井交變載荷作用下，由于噴焊層硬度高、脆性大，在桿體表面軸向和徑向首先出現(xiàn)脆性疲勞裂紋，形成裂紋源；另一方面噴焊光桿安裝打卡過程中，打卡位置位于噴焊位置，造成打卡位置應(yīng)力集中，出現(xiàn)咬痕，由于噴焊層硬度高，脆性大，使得桿體表面產(chǎn)生軸向脆性原生裂紋。表面裂紋產(chǎn)生后引起局部應(yīng)力增大，在交變載荷作用下逐步擴(kuò)展，形成疲勞源，最終造成桿體疲勞斷裂。因此，建議改變現(xiàn)場安裝工藝，光桿長度尺寸按照井況需要選用，光桿卡子盡量不要裝夾在桿體噴焊層上，盡量避免打卡處裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)一步降低疲勞風(fēng)險。