撈油作業(yè)鋼絲繩斷裂原因

王小鵬, 周宇平, 郭 立, 李翠平, 陳玉生

(1.中國石油長慶油田分公司 第七采油廠, 西安 710200;2.中國石油長慶油田分公司 第一采油廠, 延安 716000;3.陜西弘大眾為石油科技有限公司, 西安 710075)

油氣是國內(nèi)能源的重要組成部分。實(shí)施撈油的生產(chǎn)管理模式,可以合理控制撈油周期,降低油田的生產(chǎn)成本,達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)效率[1-3]。撈油作業(yè)是利用鋼絲繩將撈油抽子投在油井,在投入的過程中,投入速率與重力會對鋼絲繩的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響[4-6]。鋼絲繩斷裂會使采油設(shè)備損壞,從而對整體采油工作造成影響[7-10]。

在撈油施工作業(yè)過程中,某采油廠撈油車鋼絲繩突然斷裂,嚴(yán)重影響了作業(yè)進(jìn)度。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法,查明了鋼絲繩斷裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂鋼絲繩的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:鋼絲繩斷裂位置為排繩器一側(cè)纏繞線圈過渡區(qū),即下一層繞線結(jié)束、上一層繞線開始區(qū)域,鋼絲繩在該區(qū)域受擠推力最嚴(yán)重,排繩器擋板有明顯鋼絲繩壓痕;6股捻制股的破斷位置不在同一截面,股2與股6的破斷位置接近,股1的破斷位置在股3、股4、股5上方約30 cm處。

圖1 斷裂鋼絲繩的宏觀形貌

斷裂鋼絲股的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:斷口處鋼絲外表面可見磨損、擠壓痕跡,呈馬鞍形或菱形,這些痕跡分布在股外層鋼絲斷裂面根部和斷口以外約10～200 mm位置;鋼絲外表面可見縱向或螺旋狀條紋,磨痕表面干凈、無明顯污染物,磨損傷痕呈點(diǎn)、面狀分布;斷裂面的大部分股外層鋼絲斷口剪切痕跡明顯;少量股外層鋼絲和大部分股內(nèi)層鋼絲斷口可見明顯頸縮形貌,且塑性變形明顯。

圖2 斷裂鋼絲股的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從井上部分取走4股長度約為1 m的斷裂鋼絲股,分別編號為試樣1～4。在試樣1和試樣3的股外層和股內(nèi)層分別取樣,采用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:股外層和股內(nèi)層鋼絲均為高碳鋼,化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且腐蝕元素S未超標(biāo)。

表1 試樣1和試樣3的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗(yàn)

在試樣1斷口處和距離斷口1 m處的股外層取樣,對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:股外層鋼絲的組織為貝氏體+回火索氏體+少量鐵素體,斷口附近組織變形嚴(yán)重,變形方向與鋼絲軸向夾角約為40°。

試樣1的非金屬夾雜物評定結(jié)果如表2所示。由表2可知:股外層鋼絲的非金屬夾雜物等級之和不大于1.5級,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 試樣1的非金屬夾雜物評定結(jié)果 級

1.4 拉伸試驗(yàn)

對同批次未斷裂的正常鋼絲繩進(jìn)行拉伸試驗(yàn),截取鋼絲繩長度約為0.5 m,采用材料試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。由表3可知:正常鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,未出現(xiàn)質(zhì)量問題。

表3 正常鋼絲繩的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.5 整繩破斷拉力試驗(yàn)

對同批次未斷裂的正常鋼絲繩進(jìn)行整繩破斷拉力試驗(yàn)。在盤尾完好段截取長度為1.5 m的整繩試樣,對繩頭進(jìn)行灌鉛處理,其直徑和捻距的測量結(jié)果如表4所示,整繩破斷拉力試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,由表4,5可知:鋼絲繩的尺寸和破斷拉力試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,且與生產(chǎn)廠質(zhì)量證明書提供數(shù)據(jù)相符,破斷位置為鋼絲繩一側(cè)繩頭與鉛頭過渡段。

表4 正常鋼絲繩直徑和捻距測量結(jié)果

表5 正常鋼絲繩的整繩破斷拉力試驗(yàn)結(jié)果

1.6 掃描電鏡(SEM)分析

在斷裂鋼絲繩斷口處截取試樣,采用掃描電子顯微鏡對試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:股外層鋼絲斷裂面四周有明顯的磨損痕跡,呈塑性斷裂典型形貌特征;磨損面呈明顯剪切形貌特征,磨損面與斷裂面連接處裂紋集中分布,未見典型韌窩形貌,局部區(qū)域可見魚鱗狀形貌;部分鋼絲斷裂面呈扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征,斷裂面裂紋與軸向的夾角呈45°;股內(nèi)層鋼絲斷面呈頸縮狀韌性斷裂特征,可見大量韌窩。

圖4 斷裂鋼絲繩的SEM形貌

2 綜合分析

2.1 鋼絲繩纏繞過程中的擠推力形成表面損傷

在鋼絲繩的收放過程中,局部受到過大擠推力,使鋼絲繩與排繩器擋板、鋼絲繩與鋼絲繩、鋼絲繩與導(dǎo)輪鋼槽之間不斷摩擦擠壓,形成表面損傷。提升鋼絲繩的排繩器具有一定的寬度,因此鋼絲繩在纏繞時存在內(nèi)外偏角,在形成繩槽間隙之前,與導(dǎo)向鋼絲繩提前發(fā)生接觸,兩者之間作用力受到卷筒直徑、鋼絲繩偏折角、纏繞過程中的位置角以及提升機(jī)的內(nèi)外偏角等因素的影響。在圈間過渡區(qū)纏繞時,鋼絲繩從底層一側(cè)纏繞到另外一側(cè), 上下層兩根鋼絲繩呈“X”型交叉接觸,同時受到排繩器擋板擠壓。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研可知,撈油車卷筒到導(dǎo)輪距離短、收卷偏角大,當(dāng)繩子排列到兩側(cè)時,受到的擠推力明顯大于中間位置,在使用過程中,鋼絲繩猛提、急拉,且撈油車急剎車,造成鋼絲繩產(chǎn)生偏磨、壓扁和壓潰等現(xiàn)象。

鋼絲繩與機(jī)械零件之間存在擠壓力和摩擦力,使鋼絲發(fā)生磨損,鋼絲軸向上產(chǎn)生馬鞍形及菱形壓痕,這些壓痕主要集中在股外層,裂紋易在壓痕處萌生。

2.2 鋼絲間接觸導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展

由宏觀觀察結(jié)果可知:鋼絲繩破斷時繩體受力不均勻,斷裂首先發(fā)生于某一點(diǎn),然后在持續(xù)的拉伸-扭轉(zhuǎn)載荷作用下迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鋼絲繩6股鋼絲全部斷裂。

在撈油作業(yè)過程中,鋼絲繩內(nèi)部的鋼絲受到循環(huán)拉伸載荷的作用,產(chǎn)生了微米級的相對位錯移動,鋼絲間的接觸載荷會使鋼絲產(chǎn)生微動摩擦磨損,降低了鋼絲繩的使用性能。該鋼絲繩為非抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩,當(dāng)鋼絲繩受到接觸載荷時,在螺旋力的作用下,各股鋼絲之間產(chǎn)生很大的擠壓摩擦力。當(dāng)鋼絲繩在導(dǎo)輪及卷筒上進(jìn)行反復(fù)彎曲運(yùn)動時,鋼絲繩表面因磨損而形成的微裂紋逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鋼絲斷裂。一旦鋼絲繩中心出現(xiàn)首根斷裂鋼絲,鋼絲繩心部將在循環(huán)彎曲的作用下出現(xiàn)鋼絲集中斷裂現(xiàn)象。

2.3 鋼絲繩在深井提升時發(fā)生瞬時破壞

在深井提升系統(tǒng)中,井內(nèi)使用的鋼絲繩長度能夠達(dá)到千米級別,隨著鋼絲繩長度的增加其自重也逐漸增大[11-13]。鋼絲繩運(yùn)行過程中,末端撈油抽子和繩子自重加載迫使鋼絲繩產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力,提撈時與管壁、盤根反復(fù)摩擦導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)加速,最終使鋼絲繩發(fā)生捻距伸長破壞。捻距伸長后繩子整體結(jié)構(gòu)變得松弛,在反復(fù)摩擦的作用下,鋼絲繩中心股因刮擦而變得松弛。經(jīng)過反復(fù)提撈作業(yè)后,鋼絲出現(xiàn)移位、錯位、斷絲、繩芯擠出等問題。當(dāng)進(jìn)液面受到液面的沖擊力作用時,載荷迅速減小,使鋼絲繩轉(zhuǎn)變?yōu)榉捶较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)提抽出液面時,隨著鋼絲繩負(fù)重增加,其重新變?yōu)樗赡矸较蛐D(zhuǎn)。這種周期性的旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩始終受到彎曲-旋轉(zhuǎn)的交變載荷作用。研究表明,鋼絲繩在深井提升系統(tǒng)中受到純拉伸載荷、松捻載荷和緊捻載荷的綜合作用[14-17],其中松捻載荷作用對鋼絲繩造成的破壞最為嚴(yán)重,因?yàn)槠洚a(chǎn)生扭矩與鋼絲繩的方向相反,改變了鋼絲繩的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其應(yīng)力分布不均勻,進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致鋼絲繩整體應(yīng)力偏大。

綜上所述,在反復(fù)加載、卸載時鋼絲繩會不斷地加捻、松捻,造成鋼絲應(yīng)力分布不均;松捻鋼絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,尤其是在靠近繩體固定端,即排繩器位置,其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力疊加,最終造成鋼絲繩斷裂。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

鋼絲繩在纏繞時受到擠推力的作用,鋼絲表面產(chǎn)生磨損,局部鋼絲形成初始裂紋,在扭轉(zhuǎn)-拉伸載荷的作用下,鋼絲繩松捻結(jié)構(gòu)被破壞,裂紋不斷萌生并擴(kuò)展,最終排繩器一側(cè)的鋼絲繩發(fā)生斷裂。

3.2 建議

(1) 加強(qiáng)鋼絲繩日常維護(hù)保養(yǎng),根據(jù)油脂消耗定期上油,定期檢查鋼絲繩是否有磨損、斷絲、扭曲、結(jié)構(gòu)伸長等問題,及時更換鋼絲繩。

(2) 根據(jù)情況評估撈油車的收-放繩結(jié)構(gòu),改進(jìn)導(dǎo)輪位置和卷筒結(jié)構(gòu),減小偏角和繞繩帶來的擠推力;定期檢查繩槽與繩體是否配合良好,檢查排繩器運(yùn)行是否正常,鋼絲繩捻向與滾筒繩槽旋向是否匹配。

(3) 規(guī)范收-放繩操作,鋼絲繩應(yīng)在一定張力下緊密纏繞,避免外層鋼絲繩收卷時發(fā)生跨層擠壓和磨損,在抽吸遇卡時應(yīng)立即減速或停止作業(yè),釋放載荷。

(4) 勻速提升和釋放鋼絲繩,避免鋼絲繩受到反復(fù)沖擊,防止產(chǎn)生的過量旋轉(zhuǎn)累計到連接末端。