胡博 周洋 伏林鈞

摘 要：抽油桿是石油開(kāi)采三抽設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵部件，故其作用不容忽視，數(shù)量更是與日俱增。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往因抽油桿柱發(fā)生斷脫而影響石油開(kāi)采效率和效益，其中熱處理質(zhì)量對(duì)其疲勞失效有著較大影響。對(duì)此，本文對(duì)抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素進(jìn)行了分析，并就其控制措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：抽油桿柱；疲勞失效；熱處理因素

在石油開(kāi)采過(guò)程中，抽油桿時(shí)常會(huì)因失效而影響作業(yè)進(jìn)度，增加經(jīng)濟(jì)損失，其中疲勞、腐蝕、磨損是失效的常見(jiàn)形式。因此為進(jìn)一步提高石油生產(chǎn)效率，改善提取原油的高效性，并減少不必要的資金支出，就必須對(duì)抽油桿柱疲勞失效的原因加以分析，尤其是其熱處理因素，以此尋求有效措施實(shí)現(xiàn)抽油桿的高效耐用，進(jìn)而促進(jìn)石油開(kāi)采穩(wěn)步進(jìn)行。

1.抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素

為了解熱處理因素對(duì)抽油桿柱疲勞失效的作用機(jī)理，在此以某采油廠的抽油桿斷桿為例，結(jié)合其斷裂部位、服役期限、循環(huán)周次以及生產(chǎn)泵型、動(dòng)液面高、沖程長(zhǎng)度、下泵深度、抽油桿柱等級(jí)、數(shù)量等相關(guān)情況，作了如下探究：

1.1.對(duì)斷桿荷載強(qiáng)度的分析

有時(shí)抽油桿柱承受荷載不對(duì)稱也會(huì)致使其出現(xiàn)疲勞失效，因此為進(jìn)一步驗(yàn)證熱處理因素對(duì)抽油桿柱疲勞失效的影響，有必要對(duì)其荷載強(qiáng)度進(jìn)行分析。即根據(jù)公式 和 計(jì)算其最大荷載和最小荷載，其中 、 、 分別代表液柱荷載、桿柱荷載和動(dòng)荷載，代入相關(guān)數(shù)據(jù)后得到其最大應(yīng)力和最小應(yīng)力分別為156.9和40.5（MPa），最后得知應(yīng)力幅在允許范圍內(nèi)，故其其設(shè)計(jì)強(qiáng)度與相關(guān)要求相符。

1.2.對(duì)斷桿斷口情況的分析

觀察抽油桿斷口宏觀形貌發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖1），該斷口平齊，無(wú)明顯的輝紋特征和塑性變形；裂紋從外螺紋根部開(kāi)始，臺(tái)階明顯，且擴(kuò)展方向與拉伸應(yīng)力的最大方向保持垂直狀態(tài)；同時(shí)2/3的抽油桿截面均為斷裂區(qū)，且其中結(jié)晶狀的剪切唇和放射區(qū)較為明顯，但并未觀測(cè)到纖維區(qū)，故該材料具有較差的韌性，并受到了較大的疲勞應(yīng)力[1]。隨后經(jīng)特殊處理后，對(duì)其微觀形貌也作了認(rèn)真觀察和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其裂紋起源、擴(kuò)展區(qū)以及斷裂區(qū)均較為平整，而斷裂機(jī)理主要為混合斷裂機(jī)構(gòu)，且伴有準(zhǔn)解理的二次裂紋花樣，由此可以判斷，其的形成與氫脆、淬火不佳或回火過(guò)熱有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致鋼的韌性和塑性降低，而脆性得到了增強(qiáng)；同時(shí)位于螺紋根部的裂紋，應(yīng)該是由過(guò)熱導(dǎo)致的，如此一來(lái)，其會(huì)明顯降低材料性能，并縮短其使用壽命，若遇到動(dòng)荷載，其影響會(huì)更為凸顯。同時(shí)在對(duì)抽油桿斷裂位置截取了合適的金相試樣（見(jiàn)圖2），經(jīng)顯微鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，其組織相對(duì)粗大，為正火態(tài)的鐵素體與珠光體，故韌性較差。此外還在其硬度檢測(cè)中得知，該抽油桿內(nèi)外具有不均勻的硬度。

圖1 斷口宏觀形貌 圖2 金相組織結(jié)構(gòu)

由上可知，抽油桿柱的疲勞失效與熱處理因素關(guān)系較大，概括的講，主要是因熱處理過(guò)程中的過(guò)熱現(xiàn)象對(duì)材料的晶粒分布產(chǎn)生了影響，以致于弱化了桿柱的塑性和韌性，導(dǎo)致其外螺紋根部由于應(yīng)力相對(duì)集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，并經(jīng)快速擴(kuò)展后發(fā)生了準(zhǔn)脆性疲勞斷裂失效。

2.抽油桿柱疲勞失效控制方法分析

2.1.規(guī)范熱處理工藝

鑒于抽油桿柱的熱處理工藝對(duì)其材料性能影響較大，故應(yīng)基于完善的熱處理制度規(guī)范工藝操作，以免因熱處理不當(dāng)降低抽油桿柱的塑性、韌性和使用壽命[2]。通常調(diào)質(zhì)鋼在完成熱加工后，必須借助預(yù)備熱處理工藝降低其硬度，以消除組織缺陷，便于切削加工；然后需要進(jìn)行的是淬火與高溫回火等最終熱處理工藝，通常為防止出現(xiàn)熱處理缺陷，往往要求淬火具有較慢的冷卻速度，若其強(qiáng)度較高，則建議采用溫度較低的回火處理工藝。如在對(duì)40Cr合金鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，通常需要參考下述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，退火工藝需要采用隨爐冷卻方式，加熱溫度和保溫時(shí)間適宜控制在850℃和120mim左右；正火工藝需要采用空冷方式，加熱溫度和保溫時(shí)間適宜控制在850℃和120mim左右；淬火工藝需要采用油冷方式，加熱溫度和保溫時(shí)間適宜控制在850℃和80mim左右；而回火工藝則有低溫、中溫和高溫之分，雖均采用空冷方式，但選用的具體溫度和保溫時(shí)間不盡相同[3]。完成熱處理操作后，我們應(yīng)借助洛氏硬度結(jié)合金相觀察（制備-磨光-機(jī)械拋光-顯露組織-顯微觀察），對(duì)熱處理后的材料性能進(jìn)行測(cè)試。若存在缺陷，則要采取合理有效的熱處理修復(fù)工藝加以補(bǔ)救，以此最大程度的降低熱處理因素對(duì)抽油桿柱疲勞失效的影響。

2.2.注重科學(xué)使用和管理

抽油桿柱的疲勞失效控制僅靠強(qiáng)化熱處理工藝管理是不夠的，畢竟其在使用過(guò)程中還會(huì)受到其他因素的干擾，因此學(xué)會(huì)科學(xué)使用，加強(qiáng)日常管理也十分關(guān)鍵。這就要求我們合理分析其涵蓋動(dòng)載力、靜載力、摩擦力在內(nèi)的受力情況，并根據(jù)有無(wú)初始裂紋狀態(tài)下的疲勞壽命計(jì)算公式合理估算抽油桿柱的理論壽命，在此基礎(chǔ)上采取針對(duì)性措施以期最大限度的避免抽油桿柱出現(xiàn)疲勞失效[4]。如切實(shí)做大安全運(yùn)輸、規(guī)范存儲(chǔ)，投入使用前仔細(xì)清潔其接箍和螺紋，并施加一定的預(yù)應(yīng)力，以免其發(fā)生彎曲和腐蝕；針對(duì)具有一定傾斜度的油井，建議采用連續(xù)桿，以便降低脫扣事故；若油井泵掛較深或腐蝕性較強(qiáng)，建議選用K級(jí)桿，并結(jié)合其抗疲勞的實(shí)際強(qiáng)度值加以優(yōu)化組合，以此使其更為安全穩(wěn)定，防止出現(xiàn)斷裂事故；同時(shí)建立完善的抽油桿柱修復(fù)和回收制度，并通過(guò)定期檢測(cè)性能、循環(huán)周次統(tǒng)計(jì)、服役條件分析、使用壽命估算等，予以及時(shí)維修和更換，以此降低因抽油桿疲勞失效帶來(lái)的不利影響。

結(jié)束語(yǔ)：

總之，抽油桿柱出現(xiàn)疲勞失效在石油開(kāi)采過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，其中熱處理不當(dāng)會(huì)影響其晶粒分布，進(jìn)而提高桿柱的脆性引發(fā)疲勞失效。因此要想延緩其疲勞失效的時(shí)間，我們不僅要有效控制其熱處理工藝，也要對(duì)其受力情況和疲勞壽命加以分析，以此加強(qiáng)管理和維護(hù)，促進(jìn)其工作效率的提高和使用壽命的延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 單丙娟，李其.抽油桿的疲勞失效及疲勞壽命分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（12）.

[2] 周瑞芬.抽油機(jī)井抽油桿失效問(wèn)題的損傷力學(xué)研究[D].東北石油大學(xué)，2011（05）.

[3] 姚紅星，柳春圖.抽油桿裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究和剩余疲勞壽命的預(yù)測(cè)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2010（23）.

[4] 陳淑艷.抽油桿的疲勞失效分析與控制[J].中國(guó)西部科技，2010（09）.

作者簡(jiǎn)介：

胡博（1987-）男，漢，天津大港人，渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，材料科學(xué)與工程方向。

周洋（1985-）男，漢，湖南常德人，渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，機(jī)械制造方向

伏林鈞（1984-）男，漢，四川廣元人，渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，機(jī)械制造方向