張朋舉 魏曉娟 張永紅

(1.中國(guó)石油吐哈油田分公司機(jī)械廠 新疆 鄯善 838202;2.中國(guó)石油吐哈油田吐魯番采油廠 新疆 鄯善 838202)

0 引 言

近年來(lái)，隨著邊際油田(稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等)的規(guī)模開(kāi)發(fā)，可通過(guò)空心抽油桿向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降粘劑和防腐劑，能有效地降低開(kāi)采難度，可以增加分層開(kāi)采計(jì)量層數(shù)［1～5］。某油井采用空心抽油桿泵上摻稀作業(yè)，進(jìn)行稠油的開(kāi)采。該井經(jīng)過(guò)200 d 的正常運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)摻稀壓力發(fā)生變化。隨即進(jìn)行修井作業(yè)，將原井桿柱提起后，發(fā)現(xiàn)從井口向下第102 根空心抽油桿處，即井深為918 m 處的空心抽油桿接箍端發(fā)生開(kāi)裂。開(kāi)裂處的空心抽油桿規(guī)格是按照SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)制造的規(guī)格為Φ36 mm，壁厚為6.5 mm。經(jīng)調(diào)查，這種空心抽油桿桿頭和接箍均采用獨(dú)立加工的形式，應(yīng)用摩擦焊接工藝進(jìn)行生產(chǎn)。為了調(diào)查開(kāi)裂的原因，以材料因素為主要分析方法，結(jié)合制造工藝和應(yīng)用環(huán)境對(duì)該事故進(jìn)行失效分析。

1 理化檢驗(yàn)與分析

1.1 宏觀形貌分析

開(kāi)裂處的空心抽油桿接箍形貌如圖1 所示，在接近空心抽油桿接箍大圓弧過(guò)渡處，距離端面距離10 mm 處發(fā)生開(kāi)裂，如圖2 所示。為了進(jìn)一步觀察開(kāi)裂形貌，采用人工方式將剩余連接部分扳開(kāi)，分離后如圖3 所示。原始開(kāi)裂部分約占到了該類(lèi)型空心抽油桿截面積的2/3，人工斷面部分約占到截面積的1/3。如圖3 所示，裂紋起源于外壁，斷口存在多條裂紋，裂紋均延伸至約1/2 壁厚處。

圖1 接箍開(kāi)裂實(shí)物

圖2 裂紋部位放大

圖3 人工斷裂后實(shí)物

1.2 微觀形貌分析

斷口宏觀形貌表明，該空心抽油桿接箍具有多處開(kāi)裂的特征。該接箍開(kāi)裂實(shí)際上是其危險(xiǎn)面的外壁裂紋誘發(fā)擴(kuò)展的結(jié)果。采用STEREOSCAN 440σ 掃描電鏡對(duì)桿頭的斷口進(jìn)行分析。對(duì)裂紋源起裂區(qū)處，如圖4(a)所示進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)了較為明顯的韌性斷裂現(xiàn)象，并且形成分層開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖4(b)所示，出現(xiàn)開(kāi)裂棱臺(tái)，如圖4(c所示。能譜分析表明，斷口裂紋源區(qū)氧原子分?jǐn)?shù)為61.1%、鐵的原子分?jǐn)?shù)為29.46%，發(fā)現(xiàn)斷口已經(jīng)被腐蝕。

1.3 基本測(cè)量

該類(lèi)型的空心抽油桿，按照SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)制造而成的，獨(dú)立加工的接箍圓弧過(guò)渡處，圖1 所示的大圓弧過(guò)渡處的標(biāo)注值要求≥R5，實(shí)際的測(cè)量值達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求，外徑標(biāo)準(zhǔn)值為Φ(36 ±0.25)mm，實(shí)測(cè)外徑平均值為Φ36.11 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。接箍斷面距離焊縫的尺寸要求為14 mm ～16 mm，實(shí)際測(cè)量的尺寸為15 mm 均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.4 化學(xué)成分分析

圖4 斷口微觀形貌

分別在圖1 所示的裂紋壁上截取試樣，在接箍的母材處截取試樣。采用GB/T 223 中規(guī)定的各種方法進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1 所示，由于空心抽油桿標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5550 -2006《空心抽油桿》，規(guī)范性引用文件為GB/T 3077 -1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》。該生產(chǎn)企業(yè)在制造過(guò)程中，選擇35CrMo 鋼為該型抽油桿的原材料?？梢?jiàn)斷裂的空心抽油桿接箍端，母材部分化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999 標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)測(cè)定接箍開(kāi)裂端的母材中C 元素的含量超出標(biāo)準(zhǔn)值0.022%，其他元素均符合標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5 金相檢測(cè)

桿頭熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，為了進(jìn)一步判斷金相組織狀況。從斷口位置截取試樣，按照GB/T 13298 -1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)斷裂處的金相采用Axiovert 40 MAT 型金相顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)接箍母材端和開(kāi)裂端進(jìn)行金相檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如圖5 中a 所示，接箍開(kāi)裂端的組織偏析較為嚴(yán)重，先析出的相較多，而且呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。圖5 中b 圖顯示，母材的組織形態(tài)符合調(diào)質(zhì)處理工藝的顯微組織形態(tài)。

圖5 接箍端母材與開(kāi)裂處顯微組織

圖6 接箍外表面精車(chē)后形貌

并根據(jù)GB/T 6394 -2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》標(biāo)準(zhǔn)中的直線(xiàn)截點(diǎn)法評(píng)取試驗(yàn)材料的晶粒度［1］。實(shí)測(cè)母材端晶粒度為8.8 級(jí)，開(kāi)裂處晶粒度為9.2 級(jí)。

表1 空心抽油桿桿頭材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.6 硬度檢測(cè)

對(duì)開(kāi)裂的接箍，采用圓周面硬度檢測(cè)測(cè)試，分別截取開(kāi)裂處圓周環(huán)和母材處圓周環(huán)，進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。開(kāi)裂端的數(shù)值明顯低于母材端的數(shù)值，并且開(kāi)裂端硬度數(shù)值起伏較大。

表2 實(shí)測(cè)硬度值

2 制造工藝與應(yīng)用環(huán)境分析

2.1 接箍制造工藝

該類(lèi)型的空心抽油桿接箍制造工藝流程如下:棒料鋸切→鉆孔→粗車(chē)→淬火→回火→精車(chē)。其中關(guān)鍵工藝部分為淬火+ 回火，淬火溫度為850℃，回火溫度為580℃，使用的淬火液為PAG 水基淬火介質(zhì)。

2.2 油井工藝

該井為抽油機(jī)采油井，為典型的有桿采油系統(tǒng)。與常規(guī)采油井不同，該油井采油通過(guò)從空心抽油桿中摻入稀油，在井筒中與稠油混合降低原油粘度，摻稀比例為1:0.8，摻入0.8 m3稀油，抽出1.8 m3混合油。采用這種方式保證原油順利舉升至地面。

3 分析與討論

根據(jù)對(duì)開(kāi)裂空心抽油桿接箍的基本測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)均符合制造標(biāo)準(zhǔn)的要求，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的加工制造尺寸偏差。而根據(jù)化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，裂紋端C 元素含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求。相關(guān)資料顯示在淬火冷卻過(guò)程中，臨界冷卻速度與碳含量有關(guān)，低碳鋼隨碳含量增高，臨界冷卻速度將顯著降低［6］。因?yàn)?5CrMo可以歸為亞共析鋼范疇，當(dāng)工件局部含碳量偏高時(shí)，臨界冷卻速度降低，會(huì)導(dǎo)致工件局部的淬火效果與工件其他部位不一致性增強(qiáng)，同時(shí)易引發(fā)淬火應(yīng)力，相應(yīng)的在回火過(guò)程中，回火組織沒(méi)有達(dá)到更加理想的狀態(tài)。而且在熱處理過(guò)程中，淬火和回火溫度和加熱時(shí)間選擇不當(dāng)會(huì)加劇上述過(guò)程。從圖5 就可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂處的組織形態(tài)和均勻性不如母材處，導(dǎo)致該處力學(xué)性能下降，根據(jù)表2 就可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂處的實(shí)測(cè)硬度值遠(yuǎn)不及母材處理想。因而連接強(qiáng)度降低。并且根據(jù)圖2 中所示，可以發(fā)現(xiàn)該接箍的車(chē)削加工，刀痕非常的明顯。同時(shí)圖6 也表明，在開(kāi)裂圓周方向上，車(chē)削刀痕為起裂裂紋源區(qū)，連接強(qiáng)度降低，因此形成了開(kāi)裂，而開(kāi)裂為韌性開(kāi)裂過(guò)程，相關(guān)資料顯示［7～10］，材料的韌性越好，疲勞擴(kuò)展所用的時(shí)間越長(zhǎng)。所以該空心抽油桿未完全斷裂，而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)熱處理參數(shù)選擇不當(dāng)和原材料中碳含量超標(biāo)，導(dǎo)致了該空心抽油桿接箍金屬組織形態(tài)分布不均勻，導(dǎo)致連接強(qiáng)度降低;

2)空心抽油桿接箍的車(chē)削加工表面，產(chǎn)生的刀痕較為明顯，誘發(fā)了該接箍的開(kāi)裂。

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