何文江， 雷 博， 趙凱峰， 陳作明， 周 杰

（1. 長慶油田分公司采油二廠工藝研究所， 甘肅 慶陽745100；2. 西安石油大學 材料科學與工程學院， 西安710065）

隨著國內(nèi)老油田開發(fā)進入高含水期， 許多油井由自噴式油井轉為機械采油井， 而機械采油井中油桿泵采油方式占90%以上， 抽油桿是油桿泵采油系統(tǒng)中的重要組成部分[1-2]。 由于抽油桿長期承受周期性的拉、 壓、 彎曲等載荷作用， 并且隨著鉆井技術的發(fā)展， 斜井、 定向井和水平井不斷增加， 抽油桿的彎曲應力逐漸增大， 抽油桿受力情況變得更加復雜嚴酷。 同時， 加之井內(nèi)液體腐蝕、 作業(yè)施工起下桿柱等原因， 從而造成抽油桿失效[3-5]。 總之， 復雜的工況與環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)耦合作用致使抽油桿使用過程中斷脫事故頻發(fā)， 疲勞和腐蝕疲勞斷裂是抽油桿最主要的失效方式[6]。 當抽油桿發(fā)生斷裂時， 不僅會導致油井的原油產(chǎn)量降低， 而且還需要進行修井和完井作業(yè)， 這些作業(yè)都會使油井的采油成本升高。 因此對失效抽油桿進行失效原因分析， 對防止失效事故的發(fā)生， 進一步提高抽油桿服役的安全可靠性意義重大[7]。

1 宏觀形貌

失效抽油桿規(guī)格Φ19 mm， 牌號HL， 材質(zhì)30CrMoA。 宏觀形貌如圖1 所示。 由圖1 可以看出， 斷裂位置位于抽油桿鐓鍛過渡區(qū)圓弧消失前沿30 mm 處， 表面可見明顯腐蝕坑， 采用金相顯微聚焦法測得表面腐蝕坑最大深度達1.18 mm。

圖1 失效抽油桿及表面宏觀形貌

2 性能分析

2.1 化學成分

采用布魯克Q4 型直讀火花光譜儀， 按照GB/T 4336—2002 《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法 （常規(guī)法）》 要求對失效抽油桿進行化學成分分析[8]， 分析結果見表1。 由表1 可見， 失效抽油桿化學成分符合GB/T 26075—2010 《抽油桿用圓鋼》 要求[9]。

表1 30CrMoA 失效抽油桿化學成分

2.2 力學性能

采用美特斯 （MTS） C64.305 型靜態(tài)液壓萬能試驗機， 對失效抽油桿拉伸性能進行測試。 利用ZBC2303-B 擺錘沖擊試驗機進行沖擊韌性測試， 采用KB30BVZ-FA 維氏硬度試驗機進行硬度測試。 測試結果分別見表2～表4， 由表2～表4可見， 失效抽油桿拉伸性能和沖擊韌性滿足SY/T 5029—2013 標準對HL 等級要求[10]， 硬度從外部到心部逐漸降低。 由表2 可見， 失效抽油桿的屈強比高達0.98， 屈強比是衡量鋼材脆性的一個指標， 屈強比越大， 材料的屈服強度和抗拉強度的差值越小， 材料的塑性越差， 脆性就越大。 由此可見， 失效抽油桿發(fā)生脆性斷裂的可能性較高。

表2 30CrMoA 失效抽油桿拉伸性能試驗結果

表3 失效抽油桿沖擊韌性試驗結果

表4 失效抽油桿硬度測試結果

2.3 金相組織

在失效抽油桿管體取金相試樣， 分別對其心部及外壁組織進行分析。 圖2 為失效抽油桿金相顯微組織形貌， 由圖2 可見， 抽油桿心部和外壁組織相同， 均為回火索氏體+少量貝氏體， 為30CrMoA 鋼典型的調(diào)質(zhì)組織， 組織未見異常。

圖2 失效抽油桿金相組織形貌

3 斷口形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

在失效抽油桿上切取斷口， 采用掃描電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌， 分析抽油桿斷裂機理。圖3 為斷口宏觀形貌。 由圖3 可見， 失效抽油桿為脆性斷裂， 斷口呈現(xiàn)3 個典型區(qū)域， 即裂紋源區(qū)、 擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。 裂紋起源于表面腐蝕坑，擴展區(qū)斷面平坦， 瞬斷區(qū)具有明顯的剪切唇。 圖4 為失效抽油桿斷口微觀形貌及截面顯微形貌。由圖4 可見， 裂紋源區(qū)有貝殼狀花紋 （海灘條帶）， 為多源起裂， 所有裂紋均起源于表面腐蝕坑處， 擴展區(qū)有疲勞輝紋以及二次裂紋。 由此可以判斷， 該失效抽油桿為腐蝕疲勞斷裂。 抽油桿在腐蝕介質(zhì)的作用下， 表面發(fā)生局部腐蝕形成腐蝕坑， 當外力作用在這些腐蝕坑處時， 由于應力集中形成腐蝕疲勞裂紋源。 在抽油桿工作過程中， 由于上下沖程載荷變化， 形成的裂紋源快速擴展， 從而導致其發(fā)生腐蝕疲勞斷裂失效[11]。 腐蝕疲勞是在交變載荷和腐蝕性介質(zhì)交互作用下形成裂紋及擴展的現(xiàn)象。 首先抽油桿的抗疲勞性能下降是腐蝕環(huán)境所導致的， 其次由于交變載荷的作用， 抽油桿表面逐漸發(fā)生疲勞損傷， 最終在腐蝕作用下發(fā)生斷裂。 腐蝕疲勞裂紋多起源于表面腐蝕坑或缺陷， 裂紋源數(shù)量較多， 腐蝕疲勞裂紋主要是穿晶開裂， 有時也可能出現(xiàn)沿晶或混合開裂， 并隨腐蝕發(fā)展裂紋變寬。 腐蝕疲勞的最后斷裂階段是純機械性的， 與介質(zhì)無關。 腐蝕疲勞斷裂是脆性斷裂， 沒有明顯的宏觀塑性變形。 斷口有腐蝕的特征， 如腐蝕坑、 腐蝕產(chǎn)物、 二次裂紋和疲勞輝紋等[1,3,12,13]。

圖3 失效抽油桿斷口宏觀形貌

圖4 失效抽油桿斷口微觀形貌及裂紋形貌

在抽油桿表面腐蝕坑處取腐蝕產(chǎn)物進行分析。 圖5 和圖6 分別為腐蝕產(chǎn)物EDS 和XRD 分析結果。 可以看出， 失效抽油桿表面腐蝕產(chǎn)物主要為FeS， 還有碳酸鹽和硫酸鹽結垢物。 根據(jù)腐蝕產(chǎn)物成分分析結果， 推斷抽油桿表面發(fā)生H2S腐蝕或硫酸鹽還原菌腐蝕。

圖5 失效抽油桿腐蝕產(chǎn)物EDS 分析結果

圖6 失效抽油桿腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結果

4 失效抽油桿受力分析

根據(jù)實際井況建立如圖7 所示的分析模型，其中套管為剛體（完全固定）， 抽油桿、 油管為變形體， 分別采用桿單元、 殼單元類型； 油管上端及下端邊界均為固定邊界， 抽油桿上端僅能進行上下運動。 分析過程分為下沖程及上沖程兩個過程。 在下沖程， 分別在油管、 抽油桿上以體積力形式添加重力及浮力； 在上沖程， 抽油桿上端施加抽油機作用力。 根據(jù)分析結果獲得抽油桿失效位置處的內(nèi)部應力分布情況。

根據(jù)修井記錄， 失效抽油桿上安裝有扶正塊。模擬失效抽油桿在安裝扶正塊情況下， 分析抽油桿在上、 下沖程過程中內(nèi)部等效應力分布， 分析結果見圖8。 由圖8 可見， 在上、 下沖程過程中，斷裂位置處抽油桿內(nèi)部等效應力分別為835 MPa 和904 MPa。 抽油桿內(nèi)部的應力很高， 甚至有發(fā)生局部塑性變形的可能， 所以在疲勞載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用下， 降低了該部位的服役壽命。

圖7 抽油桿分析模型示意圖

圖8 抽油桿上、下沖程過程中內(nèi)部等效應力分布

5 分析討論

失效抽油桿為HL 型高強度抽油桿， 斷裂位置位于抽油桿端部鐓鍛過渡區(qū)圓弧消失前沿30 mm處， 該區(qū)域存在截面突變從而導致應力集中。 根據(jù)彈性力學理論， 該處橫截面上的最大應力將出現(xiàn)在抽油桿表面， 并且在鐓鍛過渡區(qū)外仍然存在應力集中， 在距過渡區(qū)某一距離的橫截面上應力將均勻一致， 應力集中消失。 對于Φ19 mm 規(guī)格的抽油桿， 這一距離不小于32.54 mm～35.85 mm，在此范圍內(nèi)抽油桿表面都存在應力集中[12]， 該失效抽油桿斷裂位置就在此范圍內(nèi)。 另外， 有限元模擬抽油桿工作過程， 失效抽油桿在斷裂位置處內(nèi)部應力高達904 MPa， 所以過渡區(qū)域應力集中和過高的內(nèi)應力相互疊加促進了裂紋源的形成。

通過顯微分析發(fā)現(xiàn)， 所有裂紋均源于表面腐蝕坑。 對腐蝕坑底部腐蝕產(chǎn)物進行分析， 發(fā)現(xiàn)失效抽油桿工作介質(zhì)含有H2S 或硫酸鹽還原菌， 據(jù)此可以判斷抽油桿斷裂失效形式為腐蝕疲勞， 交變載荷與腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用導致抽油桿發(fā)生脆性斷裂[14-20]。

綜上所述， 腐蝕疲勞是導致抽油桿斷裂的主要原因， 抽油桿結構特點易導致斷裂部位應力集中。 可以認為是抽油桿的自身結構、 高應力交變載荷及腐蝕介質(zhì)等因素共同作用導致抽油桿斷裂。

6 結論及預防措施

（1） 失效抽油桿理化性能滿足標準要求， 組織無異常。 失效抽油桿失效原因為腐蝕疲勞斷裂。 抽油桿的自身結構、 高應力交變載荷以及腐蝕介質(zhì)等因素共同作用導致抽油桿斷裂。

（2） 為預防抽油桿發(fā)生疲勞腐蝕斷裂， 可以從抽油桿結構、 工況環(huán)境和表面處理等方面同時開展工作。 對現(xiàn)有抽油桿的結構進行優(yōu)化設計，降低抽油桿鐓鍛過渡區(qū)的應力集中； 添加緩蝕劑或殺菌劑， 減緩抽油桿表面腐蝕， 尤其是局部腐蝕， 避免造成應力集中； 在抽油桿體外包覆一層超高分子量聚乙烯， 可有效阻斷抽油桿與腐蝕介質(zhì)接觸， 避免抽油桿腐蝕。