潛油電泵氣體處理器失效原因探討

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（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

某油田有大量的潛油電泵井，在針對(duì)潛油電泵井進(jìn)行檢泵作業(yè)起吊管柱的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，潛油電泵機(jī)組在氣體處理器位置出現(xiàn)斷脫現(xiàn)象。該油電泵機(jī)組累計(jì)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了530 多天，井下的作業(yè)介質(zhì)主要是油氣水混合液，潛油電泵的主要運(yùn)行環(huán)境壓力為15～16 MPa，井下實(shí)際溫度可以達(dá)到150 ℃，電泵機(jī)組主要采用的是45#鋼。通過(guò)對(duì)該電動(dòng)機(jī)組的斷裂位置進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷鏈的位置與下接頭相距20 cm，而且在氣體處理器表面發(fā)現(xiàn)了兩處穿孔。出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象后電泵機(jī)組可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)井停產(chǎn)，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)斐砂踩鹿拾l(fā)生，因此，必須對(duì)潛油電泵氣體處理器失效的原因進(jìn)行深入分析，并采取合理措施進(jìn)行防范，只有這樣才能充分保障油田潛油電泵井的安全運(yùn)行。

1 失效潛油電泵宏觀狀況分析

將失效的2 根潛油電泵氣體處理器送檢分析。

樣品1 氣體處理器長(zhǎng)度為102 cm，整體外觀呈現(xiàn)暗黑色，管體沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，整個(gè)分離器也沒(méi)有發(fā)生塑性形變，在潛油電泵氣體處理器的出氣孔附近發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)穿孔位置。穿孔具體位置在氣體處理器與泵體連接的螺紋區(qū)域，穿孔位置在軸向的距離為40 mm，2 個(gè)穿孔沿著氣體處理器呈現(xiàn)出長(zhǎng)條，2 個(gè)穿孔的長(zhǎng)度分別為40 mm 和20 mm，寬度為10 mm 左右[1]。

送檢樣品2 整體的長(zhǎng)度為195 cm，管體表面呈現(xiàn)出銹紅色，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。對(duì)樣品觀察后發(fā)現(xiàn)，樣品面出現(xiàn)的斷口與潛油電泵內(nèi)部葉輪片基本平齊，而且在斷口位置并沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性形變。對(duì)斷面進(jìn)行仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，樣品斷面位置呈現(xiàn)出非常明顯的剪切唇形狀，而且斷裂是沿著其45°斜向出現(xiàn)，斷面位置塑性形變痕跡非常明顯。由此可以斷定，該斷面屬于韌性斷裂，且斷面呈現(xiàn)銹紅色，存在明顯的腐蝕現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾何尺寸測(cè)量

對(duì)該潛油電泵殼體管壁厚度進(jìn)行測(cè)量的儀器主要是超聲波測(cè)厚儀。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該泵外徑以及壁厚分布比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性形變，符合潛油電泵生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量說(shuō)明書中的相關(guān)規(guī)定。

2.2 無(wú)傷探測(cè)

根據(jù)無(wú)傷探測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩個(gè)樣品的潛油電泵殼體表面實(shí)施了磁粉探傷，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該泵殼體中并沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。

2.3 化學(xué)成分分析

在檢測(cè)過(guò)程中針對(duì)樣品1 潛油電泵氣體處理器殼體、穿孔位置、樣品2 潛油電泵斷口進(jìn)行分別取樣，并按照相關(guān)成分檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)使用ARL 4460 直讀式光譜儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該泵合體材料完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定優(yōu)質(zhì)鋼材實(shí)際要求。

2.4 力學(xué)性能分析

針對(duì)樣品1、樣品2 潛油電泵進(jìn)行了殼體取樣縱向拉伸實(shí)驗(yàn)，殼體樣品具體規(guī)格為19.2 mm×50.0 mm。根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，首先將其在室溫條件下實(shí)施拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣品拉斷后其伸長(zhǎng)率完全達(dá)到了45#鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

然后分別在樣品1、樣品2 電泵殼體上取樣后進(jìn)行硬度實(shí)驗(yàn)，主要采取的是布氏硬度實(shí)驗(yàn)方法。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其殼體材料并沒(méi)有達(dá)到45#鋼材料硬度性能要求。

2.5 金相分析

從樣品1 潛油電泵氣體處理器殼體以及穿孔位置與樣品2電泵殼體以及斷口位置分別截取金相進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，金相試驗(yàn)中主要采用MEF4M 金相顯微鏡分別對(duì)各個(gè)式樣組織、非金屬夾雜物、晶粒度進(jìn)行觀察分析。通過(guò)觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，潛油電泵的殼體組織主要是有珠光體以及鐵元素組成，而非金屬夾雜物等級(jí)分別為A0.5、B0.5 和D0.5，晶粒度實(shí)際等級(jí)達(dá)到80%的9.5 級(jí)以及20%的6.5 級(jí)。整體來(lái)看，晶粒度分布不均勻，內(nèi)部部分組織呈現(xiàn)出粗大的現(xiàn)象。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在穿孔以及斷口位置有明顯的組織變形現(xiàn)象，而且變形非常雜亂，由此可以斷定在這兩個(gè)位置發(fā)生了應(yīng)力集中。

2.6 電鏡掃描分析

針對(duì)樣品1 潛油電泵穿孔位置以及樣品2 潛油電泵的端口位置進(jìn)行取樣，然后使用TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡以及能譜分析對(duì)試樣外表面進(jìn)行觀察和能譜分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，樣品1 潛油電泵穿孔位置人體的微觀形貌比較均勻，而且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕物質(zhì)；而樣品2 的端口位置通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口位置組織有非常明顯的腐蝕產(chǎn)物膜，而且整體組織比較疏松。能譜分析結(jié)果表明，兩個(gè)樣品穿孔以及斷口位置組織的主要元素為碳、氧以及鐵，另外還存在少量的硫元素，由此可以推斷在穿孔位置存在碳酸鐵、氧化鐵等物質(zhì)。另外，在樣品2 潛油電泵的斷口位置還發(fā)現(xiàn)了少量的硅、鈣，由此可以推斷在斷口位置存在碳酸鐵、氧化鐵、碳酸鈣、二氧化硅等腐蝕產(chǎn)物。

3 失效機(jī)理分析

3.1 穿孔失效分析

通過(guò)上述試驗(yàn)以及分析結(jié)果可以知道，發(fā)生斷裂的潛油電泵氣體處理器殼體的外徑以及壁厚整體的分布比較均勻，而且在表面也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形；經(jīng)過(guò)探傷檢測(cè)，在該潛油電泵的殼體外表面中也沒(méi)有產(chǎn)生裂紋等缺陷；而通過(guò)化學(xué)成分分析可以發(fā)現(xiàn)該潛油電泵的殼體材料完全滿足45#鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的成分要求；而通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)該殼體材料拉伸性能以及布氏硬度與45#鋼材質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求不符合，一部分試樣在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中斷裂后實(shí)際的伸長(zhǎng)率并沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的伸長(zhǎng)率下限；而通過(guò)金相分析可以發(fā)現(xiàn)，該試樣組織的主要成分為珠光體以及鐵元素，整體組織的晶粒度分布不均勻，而且部分組織呈現(xiàn)出粗大狀，而且在殼體的穿孔位置出現(xiàn)了明顯的組織變形現(xiàn)象。

樣品1 潛油電泵殼體表面穿孔都發(fā)生在螺紋連接處，而且整個(gè)穿孔貫穿了螺紋，由此可以推斷，樣品1 發(fā)生的穿孔現(xiàn)象與內(nèi)螺紋有非常緊密的關(guān)系。通過(guò)對(duì)穿孔形貌進(jìn)行觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，在穿孔位置并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，但是在殼體的內(nèi)表面卻出現(xiàn)了輕微的腐蝕。結(jié)合穿孔位置可以確定，樣品1 殼體出現(xiàn)的穿孔主要是因?yàn)樵谠搮^(qū)域出現(xiàn)了穿透性裂紋，潛油電泵內(nèi)部運(yùn)行的介質(zhì)通過(guò)裂紋穿刺出來(lái)，從而導(dǎo)致殼體出現(xiàn)穿孔。

3.2 斷裂失效分析

通過(guò)對(duì)樣品2 的斷口宏觀形貌分析可以發(fā)現(xiàn)，在氣體處理器螺紋消失的位置出現(xiàn)了斷口。氣體處理器的殼體與心部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輪之間存在一個(gè)不銹鋼內(nèi)襯，該不銹鋼內(nèi)襯的主要作用是對(duì)處理器內(nèi)部進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。不銹鋼內(nèi)襯與殼體內(nèi)壁主要是通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行連接，氣體處理器在運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)殼體內(nèi)壁出現(xiàn)了滑動(dòng)現(xiàn)象，使得不銹鋼內(nèi)襯與內(nèi)螺紋之間產(chǎn)生了間隙，液體進(jìn)入了間隙中導(dǎo)致具體處理器殼體發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，從而形成疲勞源，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中最終導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)論和建議

（1）由于潛油電泵內(nèi)螺紋出現(xiàn)了穿透性裂紋，使得沒(méi)有處在嚙合位置的內(nèi)螺紋引起了潛油電泵殼體發(fā)生穿孔現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)減少內(nèi)螺紋長(zhǎng)度，使其與外螺紋達(dá)到吻合，這樣就能降低內(nèi)螺紋為嚙合區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）潛油電泵殼體內(nèi)層發(fā)生腐蝕，而且組織的分布也不均勻，由此導(dǎo)致殼體出現(xiàn)疲勞斷裂?？梢赃M(jìn)一步強(qiáng)化電泵質(zhì)量控制，定期對(duì)其進(jìn)行抽檢。