分享：海上油田电泵连接螺栓断裂原因

潜油电泵是一种在海上油田广泛应用的机械采油工具,电泵法兰连接螺栓是井下工具的附件,起着关键的作用,一旦螺栓出现断裂会影响泵的使用,进而影响油田的安全生产。 

某海上油田生产井电泵在服役过程中出现故障,油嘴处无流动。在提管柱修井的过程中,发现电泵从泵头法兰面处脱开并落井。泵头法兰螺栓断裂现场如图1所示,经查阅资料,断裂的螺栓强度等级为8.8级,材料为35CrMo钢。 

图  1  泵头法兰螺栓断裂现场

已知该井于2010年12月投产,开采层位为L60-L90,最大井斜为16.54°。该井正常生产时计量日产液为478 m3/d,泵吸入口压力为2.64 MPa,生产压差为8.36 MPa,采液指数为57 m3·d–1·MPa–1。修井前取样化验H2S的质量分数为2.9×10–4,CO2的质量分数为2.2%。所有管柱及工具下井时间为2020年1月。螺栓服役过程中处于受拉状态,且周围存在腐蚀性介质。 

笔者采用宏观观察、断口分析、化学成分分析、硬度测试、金相检验等方法分析螺栓断裂的原因,以防止该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

从泵头连接处取回7根不完整的螺栓,除油清洗螺栓后,将断裂螺栓与完好螺栓的长度进行对比,发现有4根断裂螺栓由头部退刀槽处开始断裂,另外3根螺栓由中部开始断裂,螺栓断口表面锈蚀和氧化严重,断裂螺栓宏观形貌如图2所示。 

图  2  断裂螺栓宏观形貌

反复对螺栓进行石油醚超声清洗和弱酸+缓蚀剂除锈,观察7根螺栓的断口,发现从中部断裂的两根螺栓（分别标记为1号和2号）断口较平齐,放射棱线指向螺纹根部,在垂直放射线处还可隐约看见弧线,具有疲劳断裂的形貌特点[1]。其余5根螺栓的断面起伏较大,还有明显的塑性变形和创伤,判断是二次损伤造成的破坏。1号螺栓断口宏观形貌如图3所示。 

图  3  1号螺栓断口宏观形貌

1.2   断口分析

采用扫描电镜（SEM）对1号螺栓断口进行分析,首先观察断口附近的螺纹面,结果如图4所示。由图4可知：螺纹面上可见多处点腐蚀[见图4a)],某些区域有点腐蚀坑聚集的现象；螺纹根部存在微小裂纹[见图4b)]。用扫描电镜自带能谱仪分析螺纹腐蚀凹坑区域,发现除了Fe、C、O、Cr、Mn等元素外,还有少量的S元素和Cl元素。 

图  4  1号螺栓断口SEM形貌

用体视显微镜观察螺栓的断面,结果如图5所示。由图5可知：断口存在明显的放射棱线,棱线指向螺纹根部,呈疲劳断裂的形貌特征；棱线汇聚的源区共有两处,一处为主源区,另一处为次源区,主源区附近有若干小的腐蚀凹坑,且呈沿晶裂纹形貌特征；次源区裂纹源萌生于点腐蚀坑,源区附近呈冰糖状的沿晶裂纹形貌特征,初步判定该裂纹为应力腐蚀裂纹[2]。 

图  5  螺栓断口微观形貌

继续观察螺纹断面源区靠后的位置,结果如图6所示。由图6可知：垂直放射线方向存在小裂纹[见图6a)],同时可见疲劳弧线和疲劳条带特征[见图6b)]。 

图  6  螺栓断口疲劳裂纹微观形貌

1.3   化学成分分析

在1号螺栓断口下方10 mm处取样,采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,依照GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》对螺栓进行分析,结果如表1所示。由表1可知：其C元素质量分数为0.38%,Cr元素质量分数为0.94%,该螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35CrMo钢的要求；同时该螺栓的化学成分符合GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对中碳钢（添加合金元素）化学成分的要求。 

1.4   硬度测试

采用维氏硬度计测量1号螺栓螺纹处的显微硬度,测试结果分别为：417,416,424 HV。GB/T 3098.1—2010对8.8级螺栓标准显微硬度的要求为250~320 HV,1号螺栓的硬度超过标准要求的上限,增大了螺栓的强度,却减弱了螺栓的塑性和韧性,增强了螺栓对应力腐蚀的敏感性[3]。 

1.5   金相检验

沿着1号螺栓横向截取试样,沿着2号螺栓纵向截取试样,取1号螺栓的横截面,2号螺栓的纵截面,依照GB/T 10561—2023 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对螺栓进行非金属夹杂物测试,将试样磨抛后置于光学显微镜下观察,结果如图7所示。由图7可知：试样表面没有明显的夹杂物；2号螺栓试样下螺纹根部存在一条与断口平行的微裂纹,螺栓面上还有多处点腐蚀坑[见图7a)]；裂纹走向曲折,长度约为1 mm[见图7b)]；2号螺栓试样断口附近存在微小裂纹,推测该裂纹属于腐蚀环境下引起的应力腐蚀裂纹[4]。 

图  7  2号螺栓纵向截面螺纹部位抛光态微观形貌

用硝酸乙醇溶液对1号和2号螺栓试样进行腐蚀,依照GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》对螺栓进行金相检验,结果如图8所示。由图8可知：1号和2号螺栓试样显微组织均为回火索氏体,螺栓试样显微组织均匀,没有明显粗大或异常的组织。 

图  8  螺栓表面显微组织形貌

2.   综合分析

该螺栓在服役时承受拉应力,同时潜油电泵法兰连接螺栓周围为腐蚀性介质环境,导致螺栓根部发生点腐蚀,且附近电泵存在一定振动,使螺栓受到一定的交变载荷,在交变载荷的作用下,螺栓发生腐蚀疲劳直至断裂。腐蚀疲劳是在交变载荷和腐蚀性介质的交互作用下形成裂纹及裂纹扩展的失效机制,由于腐蚀性介质会显著降低材料的疲劳极限,相比一般的机械疲劳,腐蚀疲劳的破坏性更严重。螺栓所受的交变载荷来自于螺栓的预紧力(主要为拉应力) 及电泵工作产生的振动引起冲击载荷的共同作用。螺栓的疲劳裂纹源位于螺纹根部,该位置在结构上属于应力集中区域[5-6],另外,螺纹的滚压工艺不良造成螺纹根部圆角较小,同样会使螺栓根部产生应力集中。 

根据螺栓断口的微观分析结果,可以确定1号螺栓发生疲劳断裂,1号螺栓的断裂过程为：在CO2、H2S、Cl-及液体环境作用下,在螺纹面产生多处点腐蚀坑；由腐蚀坑引起沿晶应力腐蚀微裂纹；在电泵的振动应力作用下,应力腐蚀裂纹发生疲劳扩展,直至1号螺栓最终断裂,受力不均使其余螺栓快速断裂。 

断裂螺栓断口附近的螺纹存在小的开裂区域,裂纹源处存在大量沿晶微裂纹,呈树枝状分布,具有应力腐蚀裂纹形貌特征。在交变载荷的作用下,螺栓表面产生点腐蚀凹坑,疲劳源附近的微裂纹向螺栓基体材料内部扩展,最终导致螺栓发生断裂。螺栓在服役期间承受的预紧力为应力腐蚀的发生提供了必要的应力条件,同时电泵法兰螺栓附近周围介质工况复杂,含有H2S、CO2、Cl–及其他腐蚀性液体,螺栓与这些腐蚀性介质接触后发生腐蚀,在螺栓表面形成初期的点腐蚀凹坑,在结构件表面形成向材料内部纵深方向扩展的裂纹,这些裂纹成为疲劳源[7-10]。 

3.   结论与建议

3.1   结论

该螺栓的断裂模式为疲劳断裂,疲劳裂纹均起始于应力集中系数大的螺纹根部的点腐蚀坑上,螺纹面上的点腐蚀坑最先引起沿晶应力腐蚀微裂纹,后续在电泵振动应力及拉力的共同作用下,应力腐蚀微裂纹进一步扩展,直至螺栓发生疲劳断裂。 

3.2   建议

（1）加强潜油电泵法兰连接的日常检查工作,避免装备故障影响生产。 

（2）优化螺纹滚压加工工艺,增大螺栓的螺纹根部结构圆角,减轻螺纹根部的应力集中程度。 

（3）采用耐点腐蚀性更强的材料,避免在应力集中处附近产生点腐蚀及微裂纹。

文章来源——材料与测试网