30CrMo光桿斷裂失效原因分析

楊 琦，王尚衛(wèi)，程 飛，曹 峰，王軍利，甘 江，趙元雷，李德君

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077； 2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院 陜西 西安 710021； 3.中國石油長慶油田分公司低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室 陜西 西安 710022 4.中國石油長慶油田分公司第八采油廠 陜西 西安 710016； 5.山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司 山西 晉城 048204)

0 引 言

光桿是連接抽油桿與懸繩器的特制“抽油桿”。目前油田上使用的光桿主要是噴焊光桿，即通過對普通光桿表面進行回火冷拔、校直、漏磁探傷、墩粗、熱噴涂、熱處理和精磨等特殊處理，使光桿表面形成具有耐磨性和抗腐蝕的涂層。該涂層與基體為冶金結(jié)構(gòu)結(jié)合，不會產(chǎn)生剝落和開裂，并使光桿具有高強度和較好的防腐性能。由于光桿處于抽油桿柱的最上部，所承受的載荷較大，所以光桿在使用中經(jīng)常發(fā)生斷裂失效，嚴重地影響了油氣井的正常生產(chǎn)[1-2]。本文對某油氣井發(fā)生的斷裂失效的光桿進行了斷口宏觀與微觀形貌分析和桿體理化性能試驗，并對該光桿斷裂失效的原因進行了分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 斷口形貌分析

發(fā)生斷裂失效的光桿為Φ25 mm HL級光桿，在油氣井中使用了125 d后發(fā)生了斷裂失效，斷裂位置在光桿卡子下端約50 mm處，斷裂失效的光桿宏觀形貌如圖1所示。由現(xiàn)場提供的資料可知，斷裂失效光桿使用時承受的最大載荷為65.27 kN，最小載荷為29.12 kN，應(yīng)力比為0.45，平均沖次為3.67 次/min，該光桿斷裂時累計運行沖次約為66萬次。

圖1 失效光桿宏觀形貌

對失效光桿斷口表面用醋酸纖維脂和丙酮試劑進行清洗后，用VEGA II型掃描電子顯微鏡(SEM)分析該斷口的微觀形貌，斷口表面的微觀形貌如圖2所示。由圖2(a)可以看出，絕大部分的斷口區(qū)域為平坦形狀，無明顯宏觀塑性變形。斷口表面存在三個不同特征的區(qū)域，即疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)[3]，疲勞源區(qū)和裂紋擴展區(qū)表面為平坦形狀，該平面與光桿的軸向垂直。瞬斷區(qū)表面是斜面，該斜面與光桿軸向的夾角約為35°，為裂紋最后失穩(wěn)擴展區(qū)域。由圖2(b)可見，裂紋起源于光桿的次表面，位于光桿噴焊層下的桿體表面或次表面，基體和噴焊層明顯分離，如圖2(c)所示，裂紋起源于噴焊層之下的光桿桿體表面，并向桿體內(nèi)部擴展，直至桿體發(fā)生失穩(wěn)斷裂。高倍下裂紋擴展區(qū)可觀察到疲勞輝紋形貌，如圖2(d)所示。

圖2 失效光桿斷口SEM形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在失效光桿上取樣，用ARL4460型直讀光譜儀依據(jù)GB/T 4336—2016標準進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，抽油桿材料為30CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，且各元素含量均符合GB/T 26075—2010標準的要求。

1.3 金相分析

將失效光桿斷口整體切割下來并沿縱向剖開制成金相試樣，用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對光桿斷口附近的金相組織、晶粒度和噴焊層厚度進行分析。金相試驗結(jié)果表明，失效光桿斷口附近桿體組織主要為回火索氏體S回，但在桿體表面之下約6 mm處直至桿體芯部的組織中出現(xiàn)了一定數(shù)量的上貝氏體B上，如圖3所示，晶粒度為11級。金相組織為回火索氏體的鋼鐵材料具有良好的綜合機械性能，而B上為脆性相，且其強度低，即B上金相組織會降低鋼鐵材料的強度和韌性[4-5]。選取三個點進行噴焊層厚度測量，結(jié)果分別為0.261 mm、0.262 mm和0.261 mm，如圖4所示。

圖3 斷口附近金相組織

圖4 斷口附近的噴焊層

SY/T 5029—2013 標準要求光桿的噴焊金屬層厚度應(yīng)為0.20～0.51 mm，噴焊層厚度檢測結(jié)果表明，送檢光桿噴焊層厚度符合SY/T 5029—2013 標準的要求。

1.4 顯微硬度分析

用DuraScan70G5顯微維氏硬度計對失效桿體噴焊層與桿體顯微硬度進行檢測。在斷口附近的桿體噴焊層內(nèi)隨機選取6個點進行顯微硬度測試，測試結(jié)果見表2。SY/T 5029—2013標準要求光桿噴焊層的硬度不小于480 HV0.2，由檢測結(jié)果可知，失效光桿的噴焊層硬度低于SY/T 5029—2013標準的要求。在光桿的桿體上，隨機切取試樣測試桿體噴焊層硬度，檢測結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，被檢測的光桿的桿體上12個點中僅有4個點的硬度達到了標準要求，其余8個測試點的硬度值均低于標準要求的最低值，但光桿桿體上的硬度值高于斷口附近的硬度值。

表2 噴焊層顯微硬度檢測結(jié)果

圖5是所測試的失效光桿橫截面沿徑向由表面向芯部顯微硬度值。從圖5可見，在斷口附近桿體橫截面上沿桿體的直徑方向由噴焊層向桿體芯部的顯微硬度最高值為噴焊層的硬度，噴焊層與桿體界面附近(近桿體一側(cè))基體的硬度值為最低硬度值，僅為328 HV0.2，離該區(qū)域約1 mm桿體的顯微硬度提高至382 HV0.2，離心部較近桿體的顯微硬度值為354 HV0.2。

1.5 力學(xué)性能檢驗

在失效光桿桿體上取拉伸試樣，依據(jù)GB/T 228.1—2010標準進行縱向拉伸性能試驗，拉伸性能試驗結(jié)果見表3。在該井光桿桿體上沿縱向取沖擊試樣，依據(jù)GB/T 229—2007標準進行桿體沖擊性能試驗，沖擊試驗結(jié)果見表4。從表3和表4可見，失效光桿桿體的力學(xué)性能符合SY/T 5029—2013標準對HL型高強度抽油桿的要求。

表3 光桿桿體力學(xué)性能測試結(jié)果

表4 光桿桿體夏比U型缺口沖擊試驗結(jié)果

2 失效原因綜合分析

對失效光桿進行了斷口形貌分析、化學(xué)成分分析、金相分析、顯微硬度分析以及力學(xué)性能分析。試驗分析結(jié)果表明，斷口表面區(qū)域平坦、無明顯宏觀塑性變形，裂紋起源于噴焊層之下的桿體表面?；瘜W(xué)成分各元素含量符合GB/T 26075—2010標準的要求。金相分析顯示其噴焊層厚度符合SY/T 5029—2013標準的要求。顯微硬度試驗的12個部位的硬度值僅有4個部位的硬度符合SY/T 5029—2013標準的要求。力學(xué)性能試驗結(jié)果符合SY/T 5029—2013標準的要求。

根據(jù)疲勞萌生的規(guī)律，在應(yīng)力水平相同的條件下，疲勞裂紋容易在硬度較低部位萌生[6-7]。由顯微硬度試驗結(jié)果可知，斷口附近桿體橫截面上的硬度值不相同，噴焊層與桿體界面附近、近桿體側(cè)以及桿體的硬度值最低僅為328 HV0.2，而距離該區(qū)域約1 mm桿體的顯微硬度為382 HV0.2，桿體芯部的顯微硬度為354 HV0.2。斷口微觀形貌分析時觀察到的裂紋源位置是顯微硬度檢測值最小的部位，符合疲勞裂紋萌生的規(guī)律[8]。

表面噴焊層厚度符合SY/T 5029—2013標準的要求，但噴焊層的硬度低于SY/T 5029—2013標準的要求，尤其是斷口附近噴焊層硬度顯著低于標準要求。噴焊時桿體表面被加熱是導(dǎo)致桿體表面硬度降低的主要原因。噴焊作為一種表面強化方法可提高桿體疲勞性能，但是無論采用何種表面強化技術(shù)，在硬化層內(nèi)側(cè)(靠近基體一側(cè))都會出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加的區(qū)域則會產(chǎn)生疲勞裂紋，即該區(qū)域會成為疲勞源，如該光桿的疲勞源就位于桿體的次表面。為了防止類似失效事故的發(fā)生，對表面強化層的厚度一般都有要求，斷裂失效的光桿的硬化層厚度測試結(jié)果為0.26 mm，略高于標準要求的下限0.20 mm，且噴焊層厚度不均勻。當(dāng)噴焊層較薄時，殘余拉應(yīng)力最大值往往會出現(xiàn)在基體的近表面(桿體噴焊前的表面)，即本次失效光桿桿體橫截面硬度最低的區(qū)域，殘余拉應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，促進了疲勞裂紋的萌生，從而了減少了光桿的疲勞壽命[9-10]。

綜合以上分析，根據(jù)SY/T 5029—2013標準的要求，HL級抽油桿循環(huán)周次應(yīng)大于100萬次，而斷裂失效的30CrMo抽油光桿斷裂前使用周次僅為66 萬次，服役時承受交變的拉-拉載荷，最大應(yīng)力σmax小于200 MPa，小于光桿桿體的屈服強度。失效光桿為疲勞失效，噴焊層硬度不合格以及光桿材料存在B上金相組織是導(dǎo)致該光桿早期疲勞失效的主要原因。

3 結(jié)論與建議

1)失效的30CrMo抽油光桿化學(xué)成分和力學(xué)性能符合SY/T 5029—2013標準的要求，噴焊層硬度低于SY/T 5029—2013標準的要求。

2)失效的30CrMo抽油光桿失效模式為疲勞斷裂，裂紋起源于光桿噴焊層之下的光桿桿體表面。桿體表面/次表面硬度低于橫截面其它部位，光桿噴焊層厚度僅0.26 mm，略高于標準要求最低值。噴焊層硬度不合格以及光桿桿材存在B上金相組織是導(dǎo)致該光桿早期疲勞失效的主要原因。

3)建議加強光桿熱處理工藝和噴焊工藝控制，改善光桿桿體材料的金相組織，同時加強光桿的出廠質(zhì)量檢驗。