30CrMoA HL級抽油桿桿體斷裂失效分析

趙金蘭,仝 珂,瞿婷婷,李小龍

(中國石油集團工程材料研究院有限公司,國家市場監(jiān)管重點實驗室(石油管及裝備質(zhì)量安全) 陜西 西安 710077)

0 引 言

目前,在多種采油方式中,機械采油占比最高,而機械采油井中的有桿泵機械采油方式約占90%[1-3]。抽油桿柱作為地面抽油機和井下抽油泵的連接設(shè)備,既是一個重要部件,也是一個薄弱環(huán)節(jié)[4-7]。抽油桿作業(yè)時長期承受交變載荷及腐蝕工況條件等綜合作用,經(jīng)常發(fā)生斷裂失效。因此,對其失效原因進行分析,有助于提高抽油桿的可靠性和使用壽命[8]。某油田發(fā)生了抽油桿桿體斷裂事故,本文對該斷裂失效的抽油桿樣品進行了試驗分析,確定了其斷裂失效的原因。

1 事故概況

斷裂失效抽油桿為Φ22 mm 30CrMoA HL級,抽油桿柱組合為:Φ28 mm光桿+Φ25 mm抽油桿短節(jié)4根+Φ25 mm抽油桿34根+Φ22 mm抽油桿33根。斷裂抽油桿位于Φ22 mm第33根中部,斷頭深度為551.09 m,井斜為6.20°,狗腿度為6.83°/30 m。每根抽油桿共注塑3個尼龍扶正器:安裝位置距離抽油桿兩端約40 cm處各注塑1個尼龍扶正器,兩端注塑扶正器中部注塑1個尼龍扶正器。該抽油桿在本井內(nèi)使用約1個月后,從桿體中間扶正器附近位置斷裂。

2 試驗方法和結(jié)果

2.1 宏觀分析

斷裂失效抽油桿的宏觀形貌及斷裂位置如圖1所示。

圖1 斷裂失效抽油桿宏觀形貌及斷裂位置

斷裂位置距桿體中間扶正器33 mm,如圖1(a)所示。將樣品外表面清洗除銹后,觀察斷口兩端宏觀形貌,可以清楚地觀察到桿體外表面(斷口B端),如圖1(b)所示,一側(cè)密集分布著6個腐蝕坑,形成“腐蝕坑帶”,其軸向長度為155 mm。其中斷裂位置位于“腐蝕坑帶”區(qū)域距離中間扶正器最近位置的腐蝕坑內(nèi),如圖1(c)所示。腐蝕坑內(nèi)存在黃褐色的腐蝕產(chǎn)物,腐蝕坑開口直徑尺寸2～3 mm。桿體外壁其余部位未見腐蝕坑。

斷裂失效抽油桿斷口一端(B端)宏觀形貌如圖2所示。從圖2可見,裂紋起源于抽油桿表面的腐蝕坑處,斷口表面放射線特征收斂于腐蝕坑處,該區(qū)域為裂紋源區(qū)。裂紋源附近的斷面分為2個平臺,平臺上有一些放射狀臺階區(qū),腐蝕產(chǎn)物較多,顏色較暗。瞬斷區(qū)域有明顯的瞬時撕裂45°形貌,瞬斷區(qū)為弧形光亮區(qū),腐蝕產(chǎn)物不明顯。瞬斷區(qū)環(huán)向約占外圓周長1/2,面積約占斷口橫截面積的2/5,表明斷裂時抽油桿承受了較大的拉伸載荷。斷口表面其余部位為疲勞擴展區(qū),面積約占斷口橫截面積的3/5。

圖2 斷裂失效抽油桿斷口B端宏觀形貌

2.2 磁粉檢測

依據(jù)NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn),用CJZ-212E磁粉探傷儀對斷裂失效抽油桿的桿體進行熒光磁粉無損檢測。結(jié)果表明,該斷裂失效抽油桿除斷口及腐蝕坑外,斷口附近未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示。

2.3 化學(xué)成分分析

在斷裂失效抽油桿桿體上取樣,用ARL 4460直讀光譜儀,依據(jù)GB/T 4336—2016標(biāo)準(zhǔn)進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。從表1可見,該斷裂失效抽油桿桿體的化學(xué)成分分析結(jié)果符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.4 拉伸試驗

在斷裂失效抽油桿的桿體上取縱向拉伸試樣,用SHT4106材料試驗機,依據(jù)GB/T 228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)進行室溫拉伸試驗,結(jié)果見表2。從表2可見,該斷裂失效抽油桿桿體的拉伸試驗結(jié)果符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸試驗結(jié)果

2.5 夏比沖擊試驗

在斷裂失效抽油桿的桿體上取縱向夏比沖擊試樣,用PIT752D-2沖擊試驗機,依據(jù)GB/T 229—2020標(biāo)準(zhǔn)要求進行室溫夏比沖擊試驗,結(jié)果見表3。從表3可見,該斷裂失效抽油桿桿體的夏比沖擊試驗結(jié)果符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 夏比沖擊試驗結(jié)果

2.6 洛氏硬度試驗

在斷裂失效抽油桿正常桿體上取一段圓截面試樣,將其兩端橫截面磨平后,用RB2002T洛氏硬度計,依據(jù)GB/T 230.1—2018標(biāo)準(zhǔn)要求測試其洛氏硬度值,試驗結(jié)果見表4。

表4 洛氏硬度試驗結(jié)果

2.7 金相分析

2.7.1 桿體金相分析

在斷裂失效抽油桿的桿體上取金相試樣,用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡,依據(jù)GB/T 13298—2015、GB/T 10561—2005和GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)進行金相分析,結(jié)果見表5,金相組織如圖3所示。

表5 桿體金相分析結(jié)果

圖3 斷裂失效抽油桿桿體金相組織

2.7.2 斷裂失效抽油桿斷口金相分析

在斷裂失效抽油桿斷口裂紋源處取金相試樣,用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對試樣進行金相微觀特征分析。分析結(jié)果顯示,斷口外表面存在脫碳,脫碳層最大深度約0.3 mm,如圖4所示。源區(qū)附近斷口可見多處裂紋,如圖5所示。裂紋尖端曲折擴展,呈典型沿晶形貌,如圖6所示。

圖4 斷裂失效抽油桿斷口表面組織

圖5 源區(qū)附近斷口裂紋形貌

圖6 裂紋尖端沿晶形貌

2.8 斷口掃描電鏡分析

將斷裂失效抽油桿斷口經(jīng)超聲波清洗后,用掃描電子顯微鏡對斷口進行顯微觀察,靠近外表面部位可觀察到明顯的腐蝕坑,如圖7所示。放大觀察源區(qū)斷口部位,呈明顯的脆性沿晶形貌,如圖8所示。源區(qū)附近可見大量的腐蝕產(chǎn)物,用XFORD INCA350能譜分析儀分別對源區(qū)附近腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析,分析曲線如圖9所示,腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果見表6。由能譜分析結(jié)果可知,腐蝕產(chǎn)物主要組成元素為Fe、C、O、S和Cl-等,該裂紋表面及裂紋內(nèi)產(chǎn)物主要是鐵的氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有S和Cl-。

表6 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

圖7 源區(qū)腐蝕坑形貌

圖8 源區(qū)附近腐蝕產(chǎn)物

圖9 腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析曲線

對抽油桿斷口擴展區(qū)和瞬斷區(qū)進行形貌觀察分析可知,擴展區(qū)為沿晶形貌,如圖10所示,瞬斷區(qū)為韌窩形貌,如圖11所示。

圖10 擴展區(qū)沿晶形貌

圖11 瞬斷區(qū)韌窩形貌

3 綜合分析

該斷裂失效抽油桿桿體的化學(xué)成分分析、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、洛氏硬度試驗及金相分析等結(jié)果表明:其化學(xué)成分、拉伸試驗和夏比沖擊試驗結(jié)果符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。表面的硬度略高于心部。金相組織均為回火索氏體+少量貝氏體+少量鐵素體,晶粒度均為9.0級。

由宏觀形貌可知,該斷裂失效抽油桿斷裂部位距桿體中間扶正器33 mm處。抽油桿在提升和下降過程中,受拉-壓應(yīng)力和采出液腐蝕的綜合作用,斷裂位置即抽油桿桿體中間扶正器附近,此處應(yīng)力集中較大,且該處外表面一側(cè)密集分布著6個腐蝕坑,形成“腐蝕坑帶”,斷裂位置位于“腐蝕坑帶”區(qū)域距離中間扶正器最近位置的腐蝕坑內(nèi)。

由宏觀分析可知,斷口表面放射線特征收斂于腐蝕坑處,即裂紋起裂源區(qū)。裂紋源附近的斷口表面分為2個平坦區(qū)平臺,平臺上有一些放射狀臺階區(qū),腐蝕產(chǎn)物較多,顏色較暗。瞬斷區(qū)域有明顯的瞬時撕裂45°形貌,瞬斷區(qū)為弧形光亮區(qū),腐蝕產(chǎn)物不明顯。瞬斷區(qū)環(huán)向約占外圓周長的1/2,面積約占斷口橫截面積的2/5,表明斷裂時失效抽油桿承受了較大的拉伸載荷。其余為疲勞擴展區(qū),面積約為斷口橫截面積的3/5。

該斷裂失效抽油桿斷口的金相分析結(jié)果表明,斷口外表面存在深度為0.3 mm的脫碳層,脫碳部位材料的強度和硬度均會下降,易受到腐蝕環(huán)境的侵蝕,從而容易產(chǎn)生裂紋。源區(qū)附近截面斷口可見多處裂紋,裂紋尖端呈沿晶形貌。

該斷裂失效抽油桿斷口微觀形貌及能譜分析結(jié)果表明,斷口源區(qū)靠近外表面區(qū)域存在腐蝕坑,其腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有S、Cl-。S具有較高的活化能,它能破壞抽油桿表面金屬的鈍化膜,并加速抽油桿表面沉積物下的腐蝕,使抽油桿在短時間內(nèi)產(chǎn)生腐蝕坑,Cl-是加速腐蝕的催化劑。

綜上所述,該斷裂失效抽油桿處于含有S和Cl-的腐蝕介質(zhì)中,斷裂部位處于服役拉-壓應(yīng)力集中部位,且源區(qū)附近外表面存在深度為0.3 mm的脫碳層,導(dǎo)致其產(chǎn)生了腐蝕疲勞裂紋。在服役工況交變載荷與腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用下,裂紋不斷疲勞擴展,當(dāng)壁厚不足以承受載荷時,發(fā)生瞬時撕裂。最后斷裂區(qū)的面積大小與其承受應(yīng)力大小及材料的韌性有關(guān)。

源區(qū)附近斷口可見多處二次裂紋,裂紋尖端呈典型沿晶脆性形貌,從以下幾點可知其在腐蝕疲勞失效過程中還有應(yīng)力腐蝕開裂的特征[9-10]:1)該斷裂失效抽油桿服役過程中承受拉應(yīng)力,且源區(qū)附近外表面存在深度為0.3 mm的脫碳層,脫碳部位表層碳含量減少,則其表層的殘余應(yīng)力將會力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,使該斷裂失效的抽油桿承受拉應(yīng)力。2)服役環(huán)境為含有S和Cl-的腐蝕介質(zhì)。3)抽油桿材料對腐蝕介質(zhì)敏感,該斷裂失效抽油桿的表面洛氏硬度平均值為HRC33.8,其強度越高,對應(yīng)力腐蝕開裂越敏感。4)裂紋尖端呈典型沿晶脆性開裂形貌。因此,該失效抽油桿發(fā)生了腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂。

4 結(jié) 論

1)斷裂失效抽油桿桿體的化學(xué)成分、拉伸試驗和夏比沖擊試驗結(jié)果均符合SY/T 5029—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求,金相組織為回火索氏體+少量貝氏體+少量鐵素體,晶粒度為9.0級。

2)由于斷裂失效抽油桿在使用中處于含有S和Cl-的腐蝕環(huán)境中,并且服役時承受了拉-壓交變載荷,另外抽油桿表面存在脫碳層,使其表層的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,因而該抽油桿發(fā)生了腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂。