王傳宗

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

作為油田生產(chǎn)活動(dòng)中的重要設(shè)備，潛油電泵氣體處理器一旦失效，將會(huì)對整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)造成嚴(yán)重影響，甚至還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故?；诖?，相關(guān)單位需要對此故障引起重視，采取針對性的處理措施進(jìn)行防范，保障潛油電泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概述

某油田有大量潛油泵井，相關(guān)單位開展設(shè)備日常檢修工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備氣體處理器存在有斷裂現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)備應(yīng)用情況來看，已累計(jì)應(yīng)用500 余天，在井下作業(yè)過程中，主要介質(zhì)為油汽水混合液，該設(shè)備構(gòu)成材料為45#鋼，作業(yè)環(huán)境壓力15 MPa，井下實(shí)際運(yùn)行溫度可達(dá)150 ℃。通過對該設(shè)備觀察可發(fā)現(xiàn)，斷裂位置位于電機(jī)組，與下接頭相距20 cm，并且在潛油電泵氣體處理器表面還發(fā)生兩處穿孔現(xiàn)象。嚴(yán)重情況下將會(huì)導(dǎo)致油田生產(chǎn)活動(dòng)停產(chǎn)，甚至發(fā)生安全事故。因此，需要對潛油電泵氣體處理器失效故障引起重視，采取科學(xué)合理的應(yīng)對措施進(jìn)行防范處理[1]。

2 潛油電泵氣體處理器送檢狀況

通過將失效的潛油電泵氣體處理器樣品1 與樣品2 送檢分析可知，樣品1 整體長度為102 cm，外觀呈現(xiàn)出暗黑色，并且在管體表面無任何腐蝕現(xiàn)象。通過觀察分離器，其外觀無任何塑性形變問題，在潛油電泵氣體處理器的出氣口部位，存在有兩處穿孔現(xiàn)象。具體穿孔位置在潛油電泵氣體處理器與泵體相連接區(qū)域，整個(gè)穿孔現(xiàn)象沿著氣體處理器呈現(xiàn)出長條形狀，寬約10 mm，長度分別為30 mm、20 mm。在樣品2 中，該設(shè)備整體長度為185 cm，管體表面呈現(xiàn)出銹紅色，表面無任何腐蝕坑。通過對樣品2 詳細(xì)觀察可知，在設(shè)備斷裂部位存在有斷口與泵體內(nèi)部葉輪片平齊現(xiàn)象，并且在斷口部位還表現(xiàn)出較為明顯的剪切唇現(xiàn)象，塑性形變痕跡較為明顯[2]。由此可知，樣品2 斷口現(xiàn)象屬于韌性斷裂。

3 結(jié)果與分析

在對潛油電泵氣體處理器失效原因探究過程中，需要對其開展結(jié)合尺寸測量、無傷探測、電鏡掃描、金相分析、力學(xué)性能分析等工作，以此判斷潛油電泵氣體處理器運(yùn)行情況，以便采取針對性措施進(jìn)行處理。

3.1 樣品幾何尺寸測量

應(yīng)用超聲波測厚儀對樣品1、樣品2 殼體管壁厚度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)在泵體外徑及壁厚分布均勻，并無任何塑性形變問題，符合項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定。

3.2 無傷探測

本次無傷探測選擇磁粉探傷，應(yīng)用CJZ-212 型磁粉檢測機(jī)，始終遵循JB/T 4730.4—2005《承壓設(shè)備無損檢測》規(guī)范，對樣品1、樣品2 進(jìn)行探傷。經(jīng)檢測樣品表面未發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

3.3 化學(xué)成分分析

對樣品1、樣品2 殼體、穿孔、斷口處取樣，采用直讀光譜儀對其進(jìn)行檢測分析。由表1 可知，該樣品材料化學(xué)成分均滿足項(xiàng)目要求，由此可見，該設(shè)備失效原因與材料化學(xué)成分無關(guān)。

表1 樣品化學(xué)成分檢測結(jié)果

3.4 電鏡掃描分析

應(yīng)用TESCAN VEGA II 型掃描電子顯微鏡，對潛油電泵的穿孔位置及泵體斷口位置樣品進(jìn)行觀測，開展能譜分析工作，對樣品表面進(jìn)行全面觀察。樣品1 無明顯腐蝕物質(zhì)，樣品2 通過顯微鏡可以看到斷口處存在有明顯的腐蝕產(chǎn)物膜，整體組織十分疏松[3]。能譜分析結(jié)果表明，斷口處主要元素為鐵、氧及碳，由此推斷在樣品2 斷口處可能存在有二氧化硅、氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物，這可能是設(shè)備失效的主要因素之一。為了保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)單位需要對此因素進(jìn)行防控，以免影響生產(chǎn)活動(dòng)順利開展。

3.5 金相分析

金相分析是潛油電泵氣體處理器試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)能夠?qū)υO(shè)備材料中的晶粒度分布情況進(jìn)行探究，以此判斷設(shè)備是否在使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，探明設(shè)備失效原因。在對潛油電泵氣體處理器樣品開展金相分析時(shí)，需要從兩個(gè)樣品的斷口部位及殼體截取金相進(jìn)行試驗(yàn)。在此過程中要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取MEF4M 金相顯微鏡，對不同部位的式樣組織、晶粒度等進(jìn)行觀測分析。通過試驗(yàn)得知，有關(guān)潛油電泵的殼體組織主要由鐵元素及珠光體構(gòu)成，在材料構(gòu)成中，非金屬夾雜物等級有D0.5、B0.5、A0.5，有關(guān)晶粒度等級20%為6.5 級、80%為9.5 級。整體來看，在試驗(yàn)樣品當(dāng)中，晶粒度整體分布不均，其內(nèi)部組織呈現(xiàn)出較為粗大的現(xiàn)象[4]。在斷口、穿孔部位，明顯存在塑性變形現(xiàn)象，并且變形毫無規(guī)律十分雜亂，由此可以判定在此處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致該設(shè)備失效的因素之一。基于此，相關(guān)單位需要對此引起重視，采取針對性的措施優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，以免外部因素給設(shè)備性能帶來影響，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.6 力學(xué)性能分析

對樣品1、樣品2 殼體具有代表性的部位取樣，開展縱向拉伸實(shí)驗(yàn)，該殼體樣品規(guī)格為19 mm×50 mm。在開展試驗(yàn)工作時(shí)要注意，整個(gè)活動(dòng)都要在室溫條件下進(jìn)行，通過拉伸發(fā)現(xiàn)，該殼體材料伸長率符合我國45#鋼的相關(guān)要求。隨后，取殼體小樣，對其開展硬度實(shí)驗(yàn)，采用布氏硬度試驗(yàn)方法，在此過程中采用187.5 kg 載荷與2.5 mm 壓頭，結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備殼體材料滿足45#鋼硬度性能要求[5]。

表2 布氏硬度檢測結(jié)果 HB

4 失效原因分析

4.1 穿孔失效分析

通過上述試驗(yàn)可知，對于發(fā)生斷裂現(xiàn)象的潛油電泵氣體處理器而言，該設(shè)備壁厚及外徑，整體分布較為均勻，并且在殼體表面無明顯塑性變形現(xiàn)象。通過探傷觀測可知，在該設(shè)備殼體外表面也沒有產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象。但是通過化學(xué)成分分析可知，在潛油電泵運(yùn)行過程中，其殼體材料完全滿足45#鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。但是在力學(xué)試驗(yàn)中，有關(guān)殼體材料的拉伸性能及布氏硬度，不能滿足45#鋼[6]。部分試樣在檢測過程中發(fā)現(xiàn)斷裂后的材料伸長率不能達(dá)到要求的伸長度。在金相分析中可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)樣品組織主要構(gòu)成為鐵元素與珠光體，并且在材料組織當(dāng)中晶粒度分布不均，部分組織甚至出現(xiàn)粗大現(xiàn)象，有關(guān)殼體穿孔部位也出現(xiàn)了較為明顯的變形現(xiàn)象。此外，在樣品1 當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)所有穿孔位置都位于螺紋連接處，并且整個(gè)穿孔直接貫穿了螺紋，由此可知，該穿孔現(xiàn)象與設(shè)備內(nèi)螺紋兩者之間具有明顯關(guān)系。通過對樣品外貌觀察可知，穿孔部位并無明顯腐蝕現(xiàn)象，但是在設(shè)備殼體內(nèi)部卻存在有輕微腐蝕。而后結(jié)合設(shè)備穿孔位置可以判斷，在樣品1 當(dāng)中出現(xiàn)穿孔的主要因素在于該位置出現(xiàn)了穿透性裂紋，導(dǎo)致電泵內(nèi)部運(yùn)行介質(zhì)通過裂紋直接穿刺出來，最終造成穿孔現(xiàn)象。

4.2 斷裂失效分析

通過對樣品2 進(jìn)行分析可知，斷口處處于氣體處理器螺紋消失區(qū)域。設(shè)備的殼體部位與心部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輪間存在不銹鋼內(nèi)襯，內(nèi)襯的主要作用在于對設(shè)備處理器內(nèi)部進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。此外，設(shè)備內(nèi)襯與殼體內(nèi)壁之間主要通過機(jī)械方式進(jìn)行連接。在設(shè)備運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)殼體內(nèi)部存在滑動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)襯與螺紋之間存在間隙，液體通過該間隙導(dǎo)致處理器殼體出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，最終形成疲勞源，在設(shè)備后期運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語

綜上所述，因?yàn)闈撚碗姳脙?nèi)螺紋存在穿透性裂紋現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備中沒有位于嚙合部位的內(nèi)螺紋出現(xiàn)了穿孔現(xiàn)象。為了有效防治該問題，可以通過減少設(shè)備內(nèi)螺紋長度的方式，使其與外螺紋長度相吻合，以解決設(shè)備應(yīng)力集中問題。此外，潛油電泵殼體內(nèi)部發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，并且組織分布不均，導(dǎo)致設(shè)備存在疲勞斷裂。為了解決這一問題，可以定期對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行抽檢，通過強(qiáng)化電泵質(zhì)量的方式確保設(shè)備性能良好，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。