抽油光桿早期失效原因分析

呂慶鋼，薛凱，朱稿林，徐藹彥，史交齊，姬丙寅

1.中國石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心（新疆 輪臺(tái) 841600）

2.中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部)（陜西 西安 710078）

3.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司（陜西 西安 710075）

0 引言

采油方式有多種，其中機(jī)械采油最為重要，尤其是在世界采油工程中一直占主導(dǎo)地位的有桿抽油[1-2]。抽油光桿是抽油桿上部一根特殊的抽油桿，主要用于連接抽油機(jī)懸繩器與井下抽油桿，由井口密封盒密封，并將地面往復(fù)動(dòng)力傳遞給井下抽油桿[3-5]。抽油光桿服役過程中，承受拉-拉不對(duì)稱循環(huán)載荷，在上沖程時(shí)裸露在大氣中，下沖程時(shí)浸在井液中，同時(shí)在懸掛抽油桿柱時(shí)還要承受光桿卡子的預(yù)應(yīng)力，不出油時(shí)還要承受干磨造成的高溫，很容易造成失效，減小原油排量，加大作業(yè)成本，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。因此，分析抽油光桿的失效機(jī)理及影響因素，進(jìn)而在生產(chǎn)和使用中采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)提高抽油光桿的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，實(shí)現(xiàn)油田的效益化開發(fā)，顯得至關(guān)重要[10-14]。

失效抽油光桿樣品情況如下：規(guī)格為Φ28 mm，鋼級(jí)為HL，材料為30CrMoA，井下服役171 d后發(fā)生桿體斷裂。通過對(duì)失效抽油光桿的宏觀分析、理化性能檢測和微觀分析，得出該抽油光桿的失效模式和失效原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

失效抽油光桿樣品共計(jì)2 支，失效樣品情況見表1。首先對(duì)失效抽油光桿1#和2#的桿體及斷口進(jìn)行宏觀形貌分析。其次，在失效抽油光桿1#樣品上切取Ф28 mm×15 mm 化學(xué)成分分析樣品，采用直讀光譜儀，按GB/T 4336—2016 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析；切取Φ10 mm棒狀拉伸試驗(yàn)樣品，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 228.1—2010進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)；切取縱向10 mm×10 mm×55 mm U型沖擊試驗(yàn)樣品，采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；切取Ф28 mm×15 mm硬度試驗(yàn)樣品，采用洛氏硬度計(jì)，按照GB/T 230.1—2018 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)；切取20 mm×20 mm 金相分析樣品，采用金相顯微鏡，按照GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2005 標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行金相顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物分析。最后，采用聚焦電子雙束電鏡對(duì)失效樣品2#斷口微觀形貌進(jìn)行SEM及能譜分析。

表1 失效樣品情況

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

失效抽油光桿樣品共計(jì)2 支（1 對(duì)），如圖1 所示。從圖1（a）局部放大圖可見，1#失效樣品斷口端附近處有明顯的橫向機(jī)械損傷痕跡，因?yàn)?#樣品運(yùn)行時(shí)在光桿卡子下端，推斷可能為失效后打撈的痕跡；從圖1（b）局部放大圖可見，2#失效樣品光桿上有較多呈隨機(jī)排列的銹斑，這可能是光桿上部分運(yùn)行時(shí)裸露在空氣中，與空氣中的氧所形成的。還觀察到斷口邊緣上有一處機(jī)械損傷痕跡，對(duì)斷裂位置進(jìn)行還原，如圖1（c）所示，發(fā)現(xiàn)1#樣品斷口處無明顯機(jī)械損傷痕跡，這說明2#樣品斷口處的機(jī)械損傷痕跡為失效后造成的。另外，可觀察到抽油光桿無明顯縮頸現(xiàn)象。

圖1 斷裂抽油光桿宏觀形貌

失效抽油光桿的斷口宏觀形貌如圖2所示，斷口均無明顯縮頸現(xiàn)象，失效樣品1#和2#斷口表面可見典型的3個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)，斷口表面覆蓋棕黃色氧化物，瞬斷區(qū)形成45°剪切唇，瞬斷區(qū)環(huán)向約占外圓周長的1/2，瞬斷區(qū)面積約占斷口橫截面的1/3，表明抽油光桿斷裂時(shí)承受的載荷較大，發(fā)生斷裂速度較快，符合疲勞失效斷口的特征。由圖2（a）還可觀察到失效樣品1#斷口表面及圓周邊緣（尤其瞬斷區(qū)剪切唇）有明顯的摩擦光亮部分，從圖2（b）可見失效樣品2#斷口未發(fā)現(xiàn)摩擦磨損痕跡，這說明失效樣品1#斷口的摩擦磨損痕跡并非失效樣品2#斷口造成，可能是斷裂失效之后打撈過程產(chǎn)生的。由圖2（b）還可觀察到失效樣品2#斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)相對(duì)齊平，有許多與裂紋擴(kuò)展方向垂直的貝紋線，貝紋線間距較窄。綜上分析，抽油光桿失效樣品宏觀斷口為典型的疲勞失效斷口。

圖2 斷口宏觀形貌

2.2 理化性能分析

2.2.1 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。結(jié)果表明，抽油光桿桿體的化學(xué)成分符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，抽油光桿桿體的強(qiáng)度符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果表明，抽油光桿桿體的沖擊功值符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2.4 硬度試驗(yàn)

硬度測試結(jié)果見表5。結(jié)果表明，邊緣和心部硬度較均勻。

表5 硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.5 金相分析

金相分析結(jié)果如圖3、圖4和表6所示。結(jié)果表明，抽油光桿桿體邊緣和心部的顯微組織均為回火索氏體，較為均勻，無明顯區(qū)別；晶粒度等級(jí)為9級(jí)，非金屬夾雜物幾乎無。

表6 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果

圖3 斷口顯微組織（×500）

圖4 非金屬夾雜物形貌（200×）

從上述試驗(yàn)的理化性能結(jié)果看，未發(fā)現(xiàn)抽油光桿的材質(zhì)性能存在異常情況，說明抽油光桿的材質(zhì)正常。

2.3 微觀形貌分析

為了查明引起抽油光桿失效的真正原因，對(duì)失效抽油光桿斷口微觀形貌進(jìn)行金相及SEM分析、能譜分析。

2.3.1 微觀形貌分析

1）失效樣品斷口微觀形貌分析。失效樣品2#斷口微觀形貌SEM 分析結(jié)果如圖5 所示。由圖5（a）可見斷口裂紋源區(qū)邊緣已明顯磨平；圖5（b）、（c）和（d）為裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，可觀察到：與裂紋擴(kuò)展方向垂直的河流狀花樣，判斷失效抽油光桿為解理斷裂，在裂紋擴(kuò)展區(qū)還觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋，判斷失效抽油光桿為疲勞斷裂；另外，斷口無明顯韌窩等其他韌性斷口特征，判斷為脆性斷口。

圖5 2#斷口微觀形貌

2）失效樣品縱截面微觀形貌分析。失效樣品2#斷口裂紋源區(qū)縱向金相分析結(jié)果如圖6所示?？梢娫诹鸭y源區(qū)（光桿卡子卡槽處）存在卡槽損傷，距離斷口469 μm的外表面存在1條橫向微裂紋和3處卡槽損傷痕跡，微裂紋起源于光桿外表面，整體呈彎曲狀，彎曲趨勢與斷口彎曲趨勢一樣，未見明顯的樹枝狀，微裂紋尖端無明顯分叉現(xiàn)象，長度為69 μm；卡槽損傷痕跡最長為258 μm，最深為131 μm。而在裂紋源外其他位置未發(fā)現(xiàn)相似的微裂紋及卡槽損傷痕跡。說明抽油光桿運(yùn)行過程中除承受正常運(yùn)行產(chǎn)生的拉-拉（不排除拉-壓）交變載荷外，還承擔(dān)了由于安裝不正或與井口不對(duì)中產(chǎn)生的額外彎曲疲勞應(yīng)力，光桿卡子處的應(yīng)力集中作用，導(dǎo)致應(yīng)力疲勞壽命下降，易發(fā)生應(yīng)力疲勞斷裂。

圖6 光桿外表面裂紋源區(qū)形貌

2.3.2 能譜分析

裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)化合物能譜分析結(jié)果如圖7 所示。結(jié)果表明，斷口裂紋源區(qū)的主要元素為Fe、C、O、Si、Cr、Mn 和S 等，裂紋擴(kuò)展區(qū)化合物主要元素為Fe、Cr、O、C、Si等。

圖7 能譜分析結(jié)果

3 失效原因綜合分析

引起抽油光桿早期應(yīng)力疲勞失效的主要來自兩方面的因素：產(chǎn)品自身質(zhì)量和現(xiàn)場使用因素，下面具體分析造成本次失效事故的主要原因。

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量因素

本次失效的抽油光桿為Φ28 mm 30CrMoA HL，由理化性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，失效樣品的化學(xué)成分、拉伸性能和沖擊性能均符合GB/T 5029—2013訂貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，洛氏硬度、顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物等試驗(yàn)結(jié)果也無異常，說明抽油光桿的材質(zhì)正常，產(chǎn)品自身質(zhì)量不是造成本次事故的主要原因。

3.2 現(xiàn)場使用因素

從失效樣品的宏觀形貌結(jié)果看，抽油光桿及斷口無明顯縮頸現(xiàn)象；從斷口微觀形貌看，斷口觀察到疲勞裂紋（圖6），因此初步判斷本次抽油光桿事故為應(yīng)力疲勞引起的斷裂失效事故。

從抽油光桿的受力分析來看，其主要用于連接抽油機(jī)懸繩器與井下抽油桿，由井口密封盒密封，并將地面往復(fù)動(dòng)力傳遞給井下抽油桿。抽油光桿服役過程中，主要承受拉-拉（不排除拉-壓）交變循環(huán)載荷，同時(shí)還要承受懸掛抽油桿柱光桿卡子的預(yù)拉應(yīng)力，深抽井運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的額外橫向振動(dòng)載荷、彎曲載荷等，具有應(yīng)力疲勞的載荷條件。

從抽油光桿的失效位置分析，斷口恰好位于光桿卡子下接頭端部對(duì)應(yīng)的截面位置，抽油光桿在上下往復(fù)運(yùn)行過程中，該位置是應(yīng)力集中的部位，易發(fā)生應(yīng)力疲勞斷裂。

從載荷頻次分析，本次失效的抽油光桿入井時(shí)為新桿，服役時(shí)間171 d，按本井工作制度（沖次5次/min）估算的拉-拉應(yīng)力頻次雖然達(dá)到1.231 2×106次，但遠(yuǎn)未到達(dá)抽油光桿額定疲勞壽命107次（約為1 388 d），所以本次失效應(yīng)為非正常的早期應(yīng)力疲勞失效。

其次，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論顯示，對(duì)于深抽井，桿泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于稠油的阻滯作用明顯，經(jīng)常發(fā)生因卡滯而形成的橫向振動(dòng)，這種振動(dòng)載荷雖然不高，但載荷頻次較高，對(duì)疲勞壽命而言，相當(dāng)于增加了交變載荷的頻次。本次事故雖然處于正常的載荷頻次，但如果考慮到這種振動(dòng)產(chǎn)生的額外載荷頻次，顯然對(duì)失效樣品的疲勞壽命有降低作用。

綜上，本次事故的主要原因是，失效樣品運(yùn)行過程中，除承受正常運(yùn)行產(chǎn)生的拉-拉疲勞載荷外，還承受額外彎曲疲勞載荷（由安裝不正或與井口不對(duì)中產(chǎn)生）、高頻橫向振動(dòng)載荷（深抽井、稠油阻滯作用引起的）以及光桿卡子處的應(yīng)力集中作用，導(dǎo)致應(yīng)力疲勞壽命下降，從而引起疲勞斷裂失效。

4 結(jié)論及建議

1）通過試驗(yàn)分析，失效樣品的化學(xué)成分、拉伸性能和沖擊性能均符合訂貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5029—2013 的要求，洛氏硬度、顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物等試驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

2）經(jīng)綜合分析，本次抽油光桿斷裂失效事故的直接原因是由早期應(yīng)力疲勞斷裂引起。造成抽油光桿早期應(yīng)力疲勞失效的主要原因是：失效樣品運(yùn)行過程中，除承受正常運(yùn)行產(chǎn)生的拉-拉疲勞載荷外，還承受額外彎曲疲勞載荷（由安裝不正或與井口不對(duì)中產(chǎn)生）、高頻橫向振動(dòng)載荷（深抽井、稠油阻滯作用引起的）以及光桿卡子處的應(yīng)力集中作用，導(dǎo)致應(yīng)力疲勞壽命下降，從而引起疲勞斷裂失效。

3）因抽油光桿疲勞壽命與安裝對(duì)中效果有關(guān)，建議安裝時(shí)改進(jìn)井口對(duì)中方式。為減少光桿卡子處應(yīng)力集中，建議引進(jìn)新技術(shù)，如采用新型光桿卡子等。