分享：抽油杆断裂原因

抽油杆是机械采油系统中连接抽油机和抽油杆柱的重要零件之一,其服役过程中的安全稳定性对油气资源开采至关重要。抽油杆柱的长度可达2 000 m,其由长度为8 m、直径为28 mm的独立杆组成,这些杆通过螺纹联轴器相互连接,抽油杆是两端都有杆头的圆柱形杆,其横截面的最大拉伸应力发生在柱塞向上运动过程中,主要取决于柱塞的深度[1]。在提升和下降过程中,抽油杆受拉－压疲劳应力和采出液腐蚀的综合作用,且服役工况复杂,因此抽油杆失效事故频发,给油田造成巨大的经济损失[2]。某油田采用深抽工艺后,频繁发生抽油杆断裂现象,严重影响了油田的安全生产。 

该断裂抽油杆的材料为35CrMo钢,外径为25 mm,长度为8 m,抽油杆断口位于外螺纹端部接头过渡圆弧部位。该抽油杆入井运行182 d后发生断裂事故,生产过程中最大载荷为125.2 kN,交变载荷为70.7 kN。笔者采用一系列理化检验方法对该抽油杆断裂的原因进行分析,并提出预防措施,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂抽油杆的宏观形貌如图1所示。由图1可知：该抽油杆断口位于外螺纹端部接头过渡圆弧部位,断口起源于外壁腐蚀坑,呈应力台阶特征；源区对应的外壁腐蚀程度较严重；70%断面较平坦,为断口扩展区,该区域呈贝纹线宏观特征；断口最终断裂区呈45°剪切唇特征,符合腐蚀疲劳的典型特征。 

图  1  断裂抽油杆的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂抽油杆的杆体上取样,用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：该断裂抽油杆的材料可能为35CrMo钢。 

1.3   力学性能测试

在断裂抽油杆上取样,对试样进行力学性能测试。其中拉伸试验采用全截面棒状试样,试验温度为室温,拉伸试验结果如表2所示。冲击试验采用 

纵向夏比冲击试样,尺寸为10 mm×10 mm×55 mm(长度×宽度×高度),开U型缺口,试验温度为21 ℃,冲击试验结果如表3所示。由表2,3可知：该抽油杆的拉伸性能和冲击性能均满足标准要求,但其抗拉强度接近标准要求的上限,屈服强度比较高,断后伸长率接近标准要求的下限。 

在断裂抽油杆上取样,对试样进行硬度测试,试样高度为20 mm,测试结果如表4所示。由表4可知：该抽油杆的硬度分布较为均匀,为37.5～38.5 HRC。 

1.4   金相检验

在断裂抽油杆上切取试样,对试样进行金相检验,结果如图2所示。由图2可知：抽油杆心部组织为回火索氏体；断口外壁有腐蚀坑和脱碳现象,脱碳层深度约为0.05 mm,部分腐蚀坑底部存在裂纹。 

图  2  断裂抽油杆的显微组织形貌

1.5   扫描电镜(SEM)及能谱分析

在断裂抽油杆断口处取样,将试样清洗后在SEM下观察其微观形貌,结果如图3所示。由图3可知：根据断口纹路的收敛方向,可以确定断裂起源于外壁腐蚀坑,源区存在应力台阶,扩展区存在疲劳辉纹花样。 

图  3  断口SEM形貌

对抽油杆断口表面进行能谱分析,分析位置如图4所示,分析结果如表5所示。由表5可知：断口表面Fe、O和S等元素的含量较高,表明断口表面覆盖有Fe的氧化物和硫化物等腐蚀产物。 

图  4  断口能谱分析位置示意

2.   综合分析

研究表明,该类抽油杆易发生腐蚀疲劳失效。抽油杆断裂分为两个阶段,前期的硫化氢应力腐蚀开裂导致抽油杆强度降低,并产生应力集中,后期在交变载荷作用下,抽油杆发生疲劳断裂[3]。抽油杆断裂的主要原因为应力腐蚀开裂引起的腐蚀疲劳断裂[4]。在井液的腐蚀的作用下,抽油杆表面保护层(防锈漆、喷丸层等)破坏处首先发生腐蚀,并形成深浅不一的腐蚀坑,在拉－拉交变载荷的作用下,从最深的腐蚀坑底产生裂纹并扩展,最终导致抽油杆发生断裂[5]。 

该抽油杆断裂于外螺纹接头过渡圆弧部位,断口起源于外壁腐蚀坑,源区有应力台阶；扩展区较平坦,有贝纹线特征,微观特征为疲劳辉纹；最终断裂区呈45°剪切唇特征；断口表面覆盖有腐蚀产物。说明该抽油杆呈腐蚀疲劳断裂特征。 

该抽油杆的拉伸性能和冲击性能标准要求,全截面硬度分布均匀,因此可排除抽油杆材料的问题。根据现场调研,该油田的油井供液能力下降,因此改用深抽工艺,该工艺推广后,抽油杆断裂频次增加,说明抽油杆断裂与深抽工艺有关。深抽工艺使得泵挂加深,抽油杆柱变长,导致上冲程中作用在悬点上的抽油杆载荷、作用在柱塞上的液柱载荷、悬点最大惯性载荷、最大摩擦载荷和振动载荷等增大,进而导致抽油机悬点的最大载荷增大,即井口抽油杆的拉伸载荷增大,增大了抽油杆的平均应力。根据疲劳理论,平均应力增大会缩短构件的疲劳寿命。 

由能谱分析结果可知：断口表面S元素的含量较高,说明断口表面覆盖含有Fe元素的硫化物,结合现场调研发现抽油杆的服役环境中硫化氢含量较高,推测抽油杆发生了硫化氢腐蚀[6]。 

该抽油杆外壁腐蚀严重,存在腐蚀坑,底部存在微裂纹,腐蚀坑部位存在较大的应力集中,导致疲劳裂纹萌生的时间缩短,降低了抽油杆的抗疲劳性能。 

抽油杆镦粗法兰附近杆体处的主应力最大,表明该处最容易发生疲劳破坏,卸载槽肩和镦粗法兰区域相对安全,因为其横截面积大,产生应力集中的可能性较小。该抽油杆断口位于外螺纹端部接头过渡圆弧部位,断裂位置为抽油杆的主应力最大部位,易发生疲劳破坏。 

根据统计数据显示,交变载荷大于45 kN的抽油杆断裂占比为64.1%,泵深大于2 800 m的抽油杆断裂占比为76.9%,沉没度小于500 m的抽油杆断裂占比为65.1%。因此可以看出,交变载荷、泵深和沉没度是影响油井抽油杆断裂的重要因素。 

随着抽油泵沉没度的增加,沉没压力就会增大,上冲程中吸入压力作用在活塞上产生的载荷增大,可相应地降低抽油机悬点最大载荷；但增加沉没度就会使泵深增加,抽油杆柱长度也随之增加,导致悬点最大载荷增大。因此,应找到两者的最优控制点,使得抽油机悬点最大载荷达到最小。 

从交变载荷频率考虑,抽油杆在一定应力幅值下工作时的疲劳寿命是一定的,降低交变载荷的频率,并使用长冲程、慢冲次抽油机,可有效延长抽油杆的使用时间。因此,建议采用长冲程抽油机进行采油,同时降低冲次,延长总服役时间。 

该抽油杆外壁存在轻微脱碳现象,脱碳层深度约为0.05 mm,脱碳层会对其抗疲劳性能产生一定的影响,因为脱碳层的渗碳体数量较少,其强度和硬度较低,脱碳层处更容易萌生疲劳裂纹,导致材料的抗疲劳性能下降。建议对热处理或轧制工艺进行改进,避免抽油杆在制造过程中发生表面脱碳现象。 

该抽油杆的材料为35CrMo钢。研究表明,35CrMo钢在含硫化氢溶液中具有明显的局部阳极溶解现象,在点蚀坑内部会产生应力集中,当点蚀坑生长到一定深度和尺寸后,应力和腐蚀介质的交互作用会促进裂纹的萌生和长大,直至材料断裂。因此,建议将抽油杆材料由35CrMo钢改为30CrMo钢,适当增加Cr元素和Mo元素的含量,可补偿强度损失,使材料的耐腐蚀、应力腐蚀能力增强。也可通过增大抽油杆直径的方式来减小抽油杆承受的应力。 

3.   结论及建议

该抽油杆断裂性质为腐蚀疲劳,断裂的主要原因为：油井改用深抽工艺后,抽油杆承受了较大的拉伸载荷,增大了抽油杆的平均应力,缩短了抽油杆的疲劳寿命；在抽油过程中,对抽油杆进行上提下压,为抽油杆腐蚀疲劳提供了交变载荷；油井内含有硫化氢,对抽油杆外壁产生腐蚀作用,导致抽油杆外壁产生腐蚀坑,腐蚀坑底部应力集中程度较大,在交变载荷的作用下,腐蚀坑底部产生微裂纹,微裂纹不断扩展,最终导致抽油杆断裂。 

建议适当降低抽油杆承受的应力,选用抗硫抽油杆,并对介质进行除硫处理。对热处理或轧制工艺进行改进,避免抽油杆在制造过程中发生表面脱碳现象。 

文章来源——材料与测试网