劉曉林，慕學(xué)東，李營(yíng)波，趙海濱，相 振

中國(guó)石化勝利油田分公司東辛采油廠 （山東 東營(yíng) 257000）

抽油桿滾壓加工是舊抽油桿修復(fù)的一種新工藝，可以恢復(fù)表面有腐蝕坑或機(jī)械損傷的舊抽油桿的表面質(zhì)量和機(jī)械性能，提高抽油桿的修復(fù)率，最大限度地利用舊材料，節(jié)約采購(gòu)成本[1]。經(jīng)滾壓修復(fù)的抽油桿必須符合標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5029-2006《抽油桿》中對(duì)抽油桿表面質(zhì)量、幾何尺寸、螺紋質(zhì)量、直線(xiàn)度、機(jī)械性能等的相關(guān)規(guī)定，這是滿(mǎn)足抽油桿使用性能的最基本的要求[2]。由于是對(duì)本應(yīng)報(bào)廢的舊抽油桿進(jìn)行加工，滾壓抽油桿在工藝設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制方面有其自身的特點(diǎn)，通過(guò)分析滾壓抽油桿在下井使用過(guò)程中出現(xiàn)的一些早期失效問(wèn)題，可以找準(zhǔn)滾壓抽油桿修復(fù)工藝的改進(jìn)方向和質(zhì)量監(jiān)控的重點(diǎn)，減少滾壓抽油桿的早期失效現(xiàn)象，提高滾壓抽油桿的質(zhì)量。

1 材質(zhì)及金相分析

滾壓修復(fù)抽油桿至少要對(duì)抽油桿進(jìn)行3次加溫，第一次需要將廢舊抽油桿升溫到1 000℃左右，以提高金屬的塑性，便于滾壓加工。第二次和第三次屬于金屬的調(diào)質(zhì)處理工藝，經(jīng)過(guò)滾壓的棒料鐓頭后需調(diào)質(zhì)處理，先加溫到850℃以上急冷淬火，再加溫到640℃左右高溫回火。為觀察熱處理工藝參數(shù)的選取是否得當(dāng)，需在分析滾壓抽油桿材料的化學(xué)成分的基礎(chǔ)上（表1），進(jìn)行金相組織分析。

表1 抽油桿材質(zhì)元素分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，可以確定，該滾壓抽油桿的鋼材牌號(hào)為20CrMoA[3]。

避開(kāi)熱影響區(qū)，在該滾壓抽油桿距桿頭1 000 mm的桿體上截取試樣，放大200倍觀察金相組織，結(jié)果如圖1所示。

該滾壓抽油桿的金相組織為回火索式體，組織均勻，說(shuō)明對(duì)20CrMoA鋼的熱處理工藝各項(xiàng)參數(shù)選取得當(dāng)。

圖1 滾壓抽油桿金相組織

2 失效滾壓抽油桿的宏觀形貌分析

滾壓抽油桿下井使用至斷裂提出后發(fā)現(xiàn)的各種情況如圖2所示。

圖2 滾壓抽油桿的缺陷形式

圖2（a）是一根正常使用31d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，斷口具備典型的疲勞斷裂特征，斷面與桿體軸線(xiàn)呈一定角度，不垂直。

圖2（b）是一根正常使用105d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，抽油桿鐓粗部位與桿體之間有金屬隆起，測(cè)量桿A點(diǎn)處直徑為21mm，隆起部分B點(diǎn)處直徑為22.7mm，C點(diǎn)處直徑為22.5mm。

圖2（c）是一根正常使用160d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，側(cè)面觀察抽油桿鐓粗部位與桿體過(guò)渡處明顯彎曲。

圖2（d）是一根正常使用53d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，斷裂部位在外螺紋接頭根部，推承面有明顯的金屬刮擦痕跡。

圖2（e）是一根正常使用243d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，斷裂部位在抽油桿扳手方處。

圖2（f）是一根正常使用159d斷裂的Φ22滾壓抽油桿，斷口附近有未碾平的凹坑。

圖2（g）是一根正常使用213d斷裂的Φ19滾壓抽油桿，桿體上有較深的滾壓螺紋狀缺陷。

3 滾壓抽油桿常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)滾壓抽油桿生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的滾壓抽油桿的外觀形貌分析認(rèn)為，滾壓抽油桿質(zhì)量問(wèn)題主要是由于滾壓抽油桿在加工時(shí)桿體直徑、桿體直線(xiàn)度、桿體表面質(zhì)量控制不嚴(yán)以及個(gè)別工序的工藝參數(shù)控制不嚴(yán)造成的[4]。

3.1 滾壓抽油桿桿體直徑控制不嚴(yán)

標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5029-2006《抽油桿》對(duì)抽油桿的直徑有明確的要求，見(jiàn)表2。

表2 抽油桿桿體直徑

由于抽油桿滾壓修復(fù)工藝是將表面有腐蝕坑的抽油桿通過(guò)擠壓表面的方式使金屬變形，消除腐蝕坑。這種工藝對(duì)腐蝕坑較淺，一般低于1.5mm的較為有效。為了提高滾壓抽油桿的修復(fù)率，生產(chǎn)企業(yè)一般選擇較大的擠壓量，按照不低于表2中規(guī)定的桿體直徑下限生產(chǎn)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，擠壓量調(diào)整稍大，就會(huì)突破桿體直徑下限，造成桿體直徑不符合標(biāo)準(zhǔn)。如圖2（b）所示。圖中所示抽油桿鐓粗部位有明顯隆起，測(cè)量桿體直徑為21 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限21.82mm。而隆起部分也是由于桿體直徑小，鐓鍛時(shí)模具夾持不緊造成的。

3.2 滾壓抽油桿直線(xiàn)度控制不嚴(yán)

如果抽油桿彎曲，就會(huì)使得抽油桿在工作過(guò)程中，彎曲的內(nèi)側(cè)應(yīng)力增大，造成抽油桿短期失效[5]。因此,對(duì)抽油桿的桿體直線(xiàn)度,標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，即在任意304mm長(zhǎng)度內(nèi)，用直尺或直規(guī)測(cè)量，中間間隙不超過(guò)1.65mm，否則應(yīng)作報(bào)廢處理[2]。抽油桿端部直線(xiàn)度是這樣規(guī)定的：“將桿體支撐在離桿外螺紋接頭臺(tái)肩457mm處測(cè)量端部直線(xiàn)度，桿體的其他部分支在位于同一平面上間距不大于1 828mm的若干同心支架上,將千分表放在外螺紋接頭經(jīng)加工過(guò)的臺(tái)肩外徑上測(cè)量全跳動(dòng)量(TIR)。對(duì)于所有的抽油桿16mm～29mm的最大允許TIR值為3.81mm”[2]。抽油桿端部直線(xiàn)度的測(cè)量方法如圖3所示。在此直線(xiàn)度公差范圍內(nèi)的抽油桿能在有5個(gè)水平支撐的桿架上很容易地滾動(dòng)。超過(guò)這個(gè)直線(xiàn)度的任何彎曲都會(huì)造成在施加載荷過(guò)程中彎曲處局部應(yīng)力增加。

圖3 抽油桿端部直線(xiàn)度測(cè)量方法

抽油桿滾壓修復(fù)是在將抽油桿加熱到1 000℃的情況下，用軋輥擠壓抽油桿桿體，生產(chǎn)出的原料桿易發(fā)生桿體或端部彎曲。另外，抽油桿在調(diào)質(zhì)過(guò)程中也需要加熱超過(guò)850℃，再用水急速冷卻，也易造成桿體或端部彎曲。因此，抽油桿滾壓修復(fù)應(yīng)當(dāng)安排必要的校直工序。否則，會(huì)造成抽油桿在使用過(guò)程中的早期失效。如圖2（a）所示，抽油桿的斷裂面與桿體軸線(xiàn)不垂直，明顯是由于彎曲造成的抽油桿斷裂失效；圖2（c）所示的滾壓抽油桿斷頭，側(cè)面肉眼觀察，即可見(jiàn)到過(guò)渡區(qū)域明顯的彎曲。

3.3 滾壓抽油桿桿體表面質(zhì)量控制不嚴(yán)

因?yàn)闂U體表面有缺陷，在使用過(guò)程中，易在缺陷處應(yīng)力集中。滾壓抽油桿的表面質(zhì)量問(wèn)題主要有2種情況：一種情況是由于被滾壓的抽油桿腐蝕坑太深，滾壓完成后腐蝕坑沒(méi)有被完全消除，如圖2（f）所示；另一種情況是滾壓抽油桿的軋輥因長(zhǎng)期使用磨損變形嚴(yán)重，未及時(shí)更換，造成被擠壓的抽油桿表面出現(xiàn)較深的螺紋狀缺陷，如圖2（g）所示。

3.4 滾壓抽油桿鐓鍛加熱不均勻

圖2（d）為滾壓抽油桿外螺紋接頭斷裂，使用53d，斷裂面為典型的疲勞斷面，抽油桿的推承臺(tái)面有金屬刮擦的痕跡。造成抽油桿外螺紋接頭斷裂一般4種情況：①預(yù)緊力過(guò)大或不足；②材料缺陷或熱處理質(zhì)量不符合要求；③螺紋加工質(zhì)量差，臺(tái)肩端面與外螺紋中心線(xiàn)的垂直度誤差大；④抽油桿臺(tái)肩側(cè)面與接箍端面接觸不緊密，流入井液，引起腐蝕[5]。

圖2（e）為滾壓抽油桿扳手方斷裂，使用時(shí)間為243d。由于抽油桿扳手方處的寬度大于桿體直徑，強(qiáng)度高，剛度好，在此處斷裂比較罕見(jiàn)，即便是腐蝕較為嚴(yán)重的情況，一般也不會(huì)在扳手方處斷裂。

通過(guò)生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，抽油桿頭部鐓鍛前需用中頻電源將棒料前300mm升溫至1 200℃，因設(shè)計(jì)的原因，加溫用的感應(yīng)器一直處于加溫狀態(tài)，棒料一進(jìn)入感應(yīng)器就開(kāi)始加熱，造成前端加熱溫度符合標(biāo)準(zhǔn)，后端加熱溫度不足，產(chǎn)生了溫度梯度，鐓鍛時(shí)鐓頭部位產(chǎn)生了微裂紋。

4 結(jié)論與建議

由于抽油桿滾壓工藝加工的是廢舊抽油桿，相對(duì)于制造新抽油桿難度更大，因此必須更加注意滾壓加工工藝的設(shè)計(jì)，更注重重點(diǎn)工序的質(zhì)量監(jiān)控。

1）增加廢舊抽油桿滾壓的初選與評(píng)價(jià)工序。對(duì)滾壓加工或報(bào)廢處理的抽油桿應(yīng)有明確的評(píng)價(jià)。對(duì)腐蝕坑較深，無(wú)法滾壓填平的抽油桿堅(jiān)決報(bào)廢處理，避免出現(xiàn)仍然殘留腐蝕坑的情況。

2）嚴(yán)格控制擠壓量，確保滾壓完成的抽油桿桿體直徑符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，加強(qiáng)桿體直徑的測(cè)量檢查，避免直徑不合格的抽油桿流入采油生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3）加強(qiáng)滾壓抽油桿表面質(zhì)量的檢查，滾壓過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)桿體表面出現(xiàn)壓痕、螺紋等表面質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)調(diào)整設(shè)備，更換軋輥，并且報(bào)廢生產(chǎn)出的不合格品。

4）加強(qiáng)桿體和桿端部直線(xiàn)度的測(cè)量檢驗(yàn)。批量生產(chǎn)過(guò)程中，需制作5個(gè)支撐架，逐根檢驗(yàn)滾壓完后的棒料和調(diào)質(zhì)完后的半成品抽油桿，及時(shí)采取必要的校直處理工藝，確保桿體、桿端部直線(xiàn)度均符合要求。

5）改造鐓鍛前的加熱設(shè)備，確保加熱均勻，避免產(chǎn)生溫度梯度。

[1]李營(yíng)波，付濤.抽油桿滾壓修復(fù)技術(shù)[J].科技資訊，2009(29):103-104.

[2]SY/T 5029-2006抽油桿[S].

[3]GB/T 26075-2010抽油桿用圓鋼[S].

[4]李營(yíng)波.滾壓修復(fù)抽油桿的質(zhì)量控制[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2010，26(11):18-20.

[5]吳則中.有桿抽油設(shè)備與技術(shù)-抽油桿[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.