金恒閣，劉伯馳，侯海龍，李伯超，孫 光

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

抽油桿是抽油機的重要部件，它將抽油機的動力傳遞給井下的抽油泵，是由數(shù)百根抽油桿通過接箍連接而成，起到提升油液的作用。在采油的過程中，油桿承受不對稱循環(huán)載荷的作用，工作介質(zhì)為井液，具有腐蝕性，含有H+等等，且成分具有不確定性。抽油桿的主要失效形式為疲勞斷裂或腐蝕疲勞斷裂，抽油桿事故會嚴重影響原油產(chǎn)量，增加修井費用，每次修井的費用約為2～3萬元，提高原油生產(chǎn)成本。

現(xiàn)行抽油桿標準為SY/T5029－2013，抗拉強度由低到高分為C、K、D、H級別，隨著開采量的增加，油井深度越來越大，對抽油桿的強度要求增高，需要超高強度的H級抽油桿?，F(xiàn)在應(yīng)用的超高強抽油桿主要是通過表面高頻淬火和使用非調(diào)質(zhì)鋼、控冷控軋的方法增加抗拉強度，但其中有很多弊端，如表面高頻淬火需要專用的淬火機床，消耗大量的電能，增加生產(chǎn)成本;非調(diào)質(zhì)鋼、控冷控軋技術(shù)生產(chǎn)的抽油桿組織狀態(tài)不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量波動性大，受外界因素影響較大，尤其是氣候、溫度。本課題研制的抽油桿用鋼，是一種不需要表面淬火，就能達到超高強度的調(diào)質(zhì)鋼。

1 新鋼種的研制

1.1 試驗儀器、設(shè)備

熔煉設(shè)備:ZGL－25Z型真空感應(yīng)熔煉爐。主要技術(shù)參數(shù):

額定容量:25KG

最高溫度:1 700℃

極限真空度:6.7×10－3Pa

中頻熔煉電源:IGBT 60kW 2500Hz

鍛造設(shè)備:.0.75t鍛錘

主要檢測儀器:德國斯派克直讀光譜、ICAP6300等離子光譜儀、CS800紅外碳硫分析儀、HYG－300型高頻疲勞試驗機、蔡司金相顯微鏡等。

1.2 主要試制步驟

熔煉→鍛造→化學(xué)成分檢測→熱處理→組織、機械性能檢測→初步工業(yè)生產(chǎn)試驗

1.3 新研制鋼種的特點

1.3.1 材料通過合金強化增加強度，合理配比各合金成分及含量，形成高強度金屬間化合物，同時兼顧強度和韌性指標。

1.3.2 增加材料的淬透性和淬硬性，提高材料的整體機械性能。

1.3.3 加入稀土合金，提高材料的純凈度，減少夾雜物，增強材料的耐腐蝕性和疲勞壽命。

1.4 新鋼種的化學(xué)成分

新鋼種綜合考慮材料的鍛造性、機械加工性、耐腐蝕性等性能要求及材料成本，設(shè)計為低碳低合金鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1

使用我所的25KG真空感應(yīng)爐熔煉，具有成分控制準確、均勻，夾雜物少的特點，非常適合做新鋼種試驗研究。鋼錠經(jīng)鍛造加工成φ35mm的圓棒，進行調(diào)制處理后檢測各項理化指標。

2 新鋼種的性能檢測

2.1 機械性能

試樣經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，加工成試件，經(jīng)檢測其機械性能見表2。

表2

2.2 實際晶粒度檢驗

鋼的實際晶粒度是決定材料機械性能和疲勞壽命的重要指標，熱處理后測得材料的實際晶粒度≥8.5級。圖1材料的實際晶粒度照片。

圖1 材料的實際晶粒度(×100)

2.3 高倍組織檢驗

材料經(jīng)淬火+高溫回火后500倍金相組織檢驗，調(diào)質(zhì)后的組織為回火索氏體如圖2。

圖2 材料調(diào)質(zhì)后金相組織檢驗(×500)

2.4 夾雜物檢測

在平行于鍛件的軸向，距圓心1/2處取樣，經(jīng)熱處理后，用標準評級圖顯微檢驗法測得夾雜物以A類、C類、DS類為主，詳細情況見表3。

表3

2.5 疲勞壽命檢測

室溫條件下，測試采用兩端帶螺紋(M22X1.5)圓形橫截面試樣，中間部分直徑d=10mm，根據(jù)SY/T5029－2013標準，應(yīng)力比0.1、疲勞極限540MPa、頻率≤150Hz、載荷形式拉－拉試驗的要求。高周疲勞測試結(jié)果見表4。

表4

2.6 新鋼種與傳統(tǒng)鋼種的機械性能對比見表5。

表5

3 初步生產(chǎn)工業(yè)試驗

除材料的機械性能指標達到或超過現(xiàn)有產(chǎn)品標準外，材料的加工性也要滿足現(xiàn)有加工工藝的要求，這樣，新研發(fā)的材料才能真正具有實際應(yīng)用價值，為此，根據(jù)實際生產(chǎn)工藝的要求，做以下工業(yè)試驗。

3.1 材料平鍛性試驗

實際生產(chǎn)抽油桿過程中，抽油桿的兩端要經(jīng)過平鍛工序，使兩端部墩粗、成型，在此基礎(chǔ)上加工螺紋，這就需要所研制的鋼種有良好的鍛造性能，平鍛過程中不能出現(xiàn)裂痕，平鍛后的外形成型要好，必須滿足相關(guān)標準，只有達到這些要求的鋼材，實際生產(chǎn)中才有可能被應(yīng)用。

課題組經(jīng)冶煉、鍛造、車削自制加工了10根短抽油桿，φ22mm×1.5m，在生產(chǎn)現(xiàn)場的平鍛機上進行了工業(yè)試驗，其他鍛造工藝不變，只須提高鍛造溫度50℃～100℃，就可以順利地鍛造出質(zhì)量合格的產(chǎn)品，通過材料平鍛性能試驗。

3.2 機械加工性能試驗

抽油桿兩端配有螺紋，實際生產(chǎn)中是由刀具擠壓而成，要求抽油桿材料硬度不能太高，否則，損傷擠壓刀具，并且擠壓螺紋的表面要光潔，螺紋指標達到相關(guān)要求。

試驗是在完成平鍛試驗后的試驗斷桿上繼續(xù)進行。首先，將平鍛后的短桿按照所研制的熱處理方案進行調(diào)質(zhì)處理，然后再到生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)控六角車床上進行機加性能試驗，擠壓后的螺紋按技術(shù)要求，經(jīng)通規(guī)、止規(guī)檢測，10個樣品全部合格，通過了機加性能試驗。

4 結(jié)語

(1)所研制的超強抽油桿新型材料，不需要表面淬火，其機械性能、加工性能完全達到，甚至超過現(xiàn)有產(chǎn)品標準要求，疲勞壽命指標尤為突出。

(2)由于省掉了高頻表面淬火工藝，節(jié)約了大量的電能，減少了能源消耗，每噸降低生產(chǎn)成本約500元人民幣，節(jié)能降耗，成效十分顯著，全國有30多家抽油桿生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)抽油桿80多萬t，具有極大的推廣價值。