某油田HY級(jí)抽油桿斷裂原因

李 霄，賀大川，張中垚，張剛剛，王璐瑤，張 潔，張廣利

(1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心，西安 710018； 3.中能建西北電力建設(shè)工程有限公司技術(shù)中心，西安 710023)

0 引 言

機(jī)械采油是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的一種采油方法，其關(guān)鍵設(shè)備或裝置包括抽油桿、抽油泵和抽油機(jī)等；這些設(shè)備或裝置的穩(wěn)定性和安全性決定了油氣資源開(kāi)采的效率[1-2]。抽油桿由桿體、扳手方、應(yīng)力卸荷槽以及外螺紋4個(gè)部分組成。根據(jù)強(qiáng)度高低，抽油桿可分為C級(jí)、D級(jí)和H級(jí)，其中H級(jí)為高強(qiáng)度抽油桿，具有輕質(zhì)、彈性大、耐高壓、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在油氣田開(kāi)發(fā)中后期，深層油氣開(kāi)發(fā)占比提高，需要采用電泵軸并且加大泵掛深度來(lái)保證油氣產(chǎn)量，這對(duì)抽油桿的性能提出了更高的要求。因此，高強(qiáng)度H級(jí)抽油桿得到了廣泛使用[3]。根據(jù)制造工藝，H級(jí)抽油桿又分為HL和HY兩類(lèi)，HY型抽油桿通過(guò)表面淬火工藝加工而成[4-5]。抽油桿的服役條件非常苛刻，不僅承受不對(duì)稱(chēng)交變載荷的作用，還承受油井產(chǎn)出液中腐蝕介質(zhì)的腐蝕作用。在疲勞、腐蝕和局部磨損等因素的共同作用下，抽油桿易發(fā)生失效。以長(zhǎng)慶油田為例，2014年共產(chǎn)生45 235井次的維修作業(yè)，其中抽油桿故障共計(jì)10 471井次，占維護(hù)作業(yè)井次的23.15%。抽油桿故障的主要類(lèi)型為斷裂和脫扣，占比分別達(dá)52.89%和13.41%。抽油桿一旦斷裂，油井必須停產(chǎn)，同時(shí)必須采用作業(yè)工具進(jìn)行打撈并更換新的抽油桿，這不僅增加了維修成本，還降低了開(kāi)采效率[6-7]。

在服役過(guò)程中，某油田HY級(jí)抽油桿在扳手方位置發(fā)生斷裂。該抽油桿執(zhí)行SY/T 5029-2013標(biāo)準(zhǔn)，其直徑為19 mm，材料為30CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，是在D級(jí)抽油桿制造工藝的基礎(chǔ)上增加了超音頻淬火工藝和拋丸工藝加工而成的。該抽油桿的彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為793 MPa，抗拉強(qiáng)度為965 MPa。為了找到該抽油桿斷裂的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口形貌

由圖1可知：抽油桿在扳手方和外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡位置處發(fā)生斷裂；其斷裂經(jīng)歷了疲勞裂紋萌生、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂3個(gè)階段，在斷口上形成了疲勞裂紋源區(qū)(Ⅰ)、裂紋擴(kuò)展區(qū)(Ⅱ)和瞬斷區(qū)(Ⅲ)3個(gè)區(qū)域，這是疲勞斷裂的典型特征。裂紋擴(kuò)展前期的擴(kuò)展速率較慢，因此近裂紋源區(qū)的斷口表面較細(xì)膩，沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形；裂紋擴(kuò)展后期的擴(kuò)展速率不斷加快，斷口表面越來(lái)越粗糙，最終在瞬斷區(qū)形成與主應(yīng)力軸成45°角的剪切唇。

將抽油桿斷口在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗后，采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察斷口微觀(guān)形貌。由圖2可以看出：裂紋源區(qū)存在明顯的解理臺(tái)階，說(shuō)明該區(qū)域主要發(fā)生解理斷裂，呈脆性斷裂特征；裂紋源處還存在微小凹坑，深度約25 μm，這些凹坑位于扳手方和外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡位置表面，應(yīng)是在加工或運(yùn)輸過(guò)程中形成的。在扳手方棱角處存在應(yīng)力集中，當(dāng)凹坑形成后，應(yīng)力在凹坑邊緣進(jìn)一步集中，造成裂紋萌生。裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)存在明顯的疲勞條紋，疲勞條紋中間存在少量撕裂棱，斷裂方式也以解理斷裂為主。瞬斷區(qū)存在大小不等的韌窩，斷口粗糙且?guī)в屑羟写?，面積約占整個(gè)斷口面積的1/8，呈韌性斷裂特征。

1.2 化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 4336-2016，采用Q4 Tasman型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)斷裂抽油桿進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定。由表1可以看出，失效抽油桿中的碳、鉬含量均低于GB/T 26075-2010規(guī)定的30CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼中碳、鉬含量下限，其余元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。30CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼中適量的碳元素在回火過(guò)程中會(huì)以過(guò)渡型碳化物的形式析出，起到彌散強(qiáng)化作用；碳含量較低時(shí)這種彌散強(qiáng)化作用較弱，導(dǎo)致抽油桿抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和淬硬性降低。鉬元素不僅能降低鈦、鈮等碳化物的粗化速率，有利于析出細(xì)小的復(fù)合碳化物，還能提高鋼的淬透性，延緩先共析鐵素體、珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，從而起到相變強(qiáng)化作用。因此，較低的鉬含量會(huì)導(dǎo)致抽油桿強(qiáng)度、硬度和淬透性的降低[8]。

圖1 失效抽油桿整體形貌及斷口宏觀(guān)形貌Fig.1 Overall macromorphology (a) and fracture macromorphology (b) of failed sucker rod

圖2 失效抽油桿斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of failed sucker rod: (a) crack source; (b) crack stable propagation region and (c) instantaneous fracture region

表1 失效抽油桿的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 顯微組織

在啟裂點(diǎn)沿抽油桿扳手方的徑向截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)為3.5%的硝酸酒精腐蝕后，在A(yíng)xio-Vert.A1型光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察顯微組織。由圖3(a)可以看出，失效抽油桿的扳手方表面及近表面在淬火后形成了含有馬氏體組織的淬硬層，淬硬層的深淺不一。經(jīng)Image J軟件測(cè)量，淬硬層的平均深度為0.972 mm。由圖3(b)和圖3(c)可見(jiàn)，失效抽油桿近淬硬層及心部的組織主要為回火索氏體和少量的針狀鐵素體;由圖3(d)可以看出，未失效抽油桿組織為均勻的回火索氏體。國(guó)產(chǎn)HY級(jí)抽油桿的理想組織為回火索氏體，回火索氏體具有良好的強(qiáng)度及塑韌性。但失效抽油桿組織中出現(xiàn)了少量鐵素體，會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和硬度的降低。利用Photoshop軟件統(tǒng)計(jì)組織中的鐵素體含量，發(fā)現(xiàn)近淬硬層區(qū)和心部的鐵素體含量分別為22.54%，8.54%，推測(cè)近淬硬層區(qū)域的硬度和抗拉強(qiáng)度更低。鐵素體的出現(xiàn)與淬火過(guò)程中的加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速率有關(guān)。加熱溫度過(guò)高、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、冷卻速率過(guò)慢均會(huì)增大鐵素體的含量[9]。

圖3 失效和未失效抽油桿扳手方的顯微組織Fig.3 Microstructures of wrench side of failed (a-c) and unfailed (d) sucker rod: (a) surface layer; (b) near the hardening layer and (c) core

1.4 淬透性和淬硬性

沿抽油桿扳手方徑向截取試樣，根據(jù)GB/T 5617-2005，采用HXD-1000TMC型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為10 s,根據(jù)硬度分布判斷淬硬層深度。根據(jù)SY/T 5029-2013，HY級(jí)抽油桿的淬硬層深度為桿體直徑的5%～13%,表面硬度應(yīng)不低于42 HRC(404 HV)。由圖4可以看出，失效抽油桿扳手方的淬硬層深度約1 mm，符合要求，但接近標(biāo)準(zhǔn)下限，表面硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值。扳手方碳和鉬含量不足、表面淬火不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，都是導(dǎo)致其淬硬層深度較淺、硬度不達(dá)標(biāo)的原因。

圖4 抽油桿扳手方橫截面硬度分布曲線(xiàn)Fig.4 Hardness distribution curve on cross section of sucker rod wrench side

1.5 應(yīng)力分布

采用Abaqus軟件對(duì)抽油桿在拉伸載荷作用下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。由于抽油桿為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，取1/2模型進(jìn)行仿真；同時(shí)由于抽油桿端部螺紋及應(yīng)力緩和槽非分析重點(diǎn)，故將其從模型中去除。按照SY/T 5029-2013中抽油桿形狀和尺寸建立抽油桿有限元模型，如圖5所示，主要包括外螺紋臺(tái)階、扳手方、鐓粗凸緣和桿體。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在扳手方的過(guò)渡圓角處進(jìn)行加密處理，劃分后單元數(shù)量為143 886個(gè)。在模型右側(cè)施加對(duì)稱(chēng)約束，左側(cè)施加均布拉伸載荷，載荷大小為137.5 MPa，按截面面積計(jì)算得到此時(shí)抽油桿中部的應(yīng)力為540 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖6可以看出，桿體整體應(yīng)力水平較高，最高應(yīng)力水平位于鐓粗凸緣與桿體截面的過(guò)渡位置，為556 MPa，扳手方的應(yīng)力水平較低，說(shuō)明只要抽油桿的加工尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，扳手方位置是安全的。但此次失效抽油桿斷裂發(fā)生在扳手方，所以需要明確扳手方應(yīng)力水平相對(duì)較低但優(yōu)先發(fā)生斷裂的原因。

圖5 抽油桿的有限元模型Fig.5 Finite element model of sucker rod

圖6 抽油桿Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Mises stress contour of sucker rod

對(duì)失效抽油桿尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)扳手方與外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡區(qū)圓弧尺寸不符合要求。HY型抽油桿扳手方的過(guò)渡圓角半徑應(yīng)為33 mm，而實(shí)際尺寸為25 mm。由于抽油桿扳手方與外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工，因此在鍛造加工過(guò)程中易產(chǎn)生折紋、折疊、缺肉以及加工尺寸不合格等問(wèn)題。將抽油桿模型中扳手方過(guò)渡圓角半徑減小為25 mm進(jìn)行有限元模擬。由圖7可以看出，該條件下的桿體應(yīng)力水平仍較高，但最高應(yīng)力水平出現(xiàn)在外螺紋臺(tái)階與扳手方的過(guò)渡位置，為607 MPa。

圖7 過(guò)渡圓角半徑為25 mm時(shí)抽油桿的Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Mises stress contour of sucker rod with transition fillet radius of 25 mm

在抽油桿軸線(xiàn)、鐓粗凸緣、扳手方以及外螺紋臺(tái)階截面上提取各點(diǎn)的等效應(yīng)力，其分布如圖8所示。由圖8可以看出：扳手方與外螺紋臺(tái)階過(guò)渡位置、扳手方與鐓粗凸緣過(guò)渡位置以及鐓粗凸緣與桿體的過(guò)渡位置都發(fā)生了應(yīng)力突變，且應(yīng)力均較高；在扳手方與外螺紋臺(tái)階截面的4個(gè)棱角處的應(yīng)力均較大，即棱角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與失效抽油桿啟裂于外螺紋臺(tái)階與扳手方過(guò)渡位置棱角處的現(xiàn)象相符。因此，當(dāng)抽油桿扳手方和外螺紋臺(tái)階過(guò)渡圓角尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，過(guò)渡位置會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，并且4個(gè)棱角處的應(yīng)力集中程度更大，這就導(dǎo)致抽油桿在外螺紋臺(tái)階與扳手方的過(guò)渡棱角處發(fā)生斷裂。

圖8 扳手方與外螺紋臺(tái)階過(guò)渡圓角半徑為25 mm時(shí)抽油桿軸向表面和過(guò)渡位置截面周向應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of axial direction surface (a) and circumference on cross-section in transition location (b) of sucker rod with transition fillet radius of 25 mm

2 斷裂原因分析

該斷裂抽油桿的材料為30CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不符，其中碳、鉬元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)值。碳可以提高鋼回火后的強(qiáng)度，鉬可以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，兩者含量偏低導(dǎo)致淬硬層深度雖滿(mǎn)足要求但接近標(biāo)準(zhǔn)下限，表面硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。該斷裂抽油桿組織中含有鐵素體，并且在扳手方近淬硬層的組織中鐵素體含量達(dá)到22.54%；鐵素體的出現(xiàn)會(huì)降低抗拉強(qiáng)度和硬度?；瘜W(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求和組織中出現(xiàn)鐵素體均是導(dǎo)致抽油桿發(fā)生斷裂的原因。

斷裂抽油桿扳手方與外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡圓角半徑為25 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求。在承受外部載荷作用時(shí)，外螺紋臺(tái)階與扳手方的過(guò)渡位置會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在其截面的4個(gè)棱角處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中；同時(shí)，棱角處存在的凹坑進(jìn)一步提高了該位置的應(yīng)力集中程度。因此，疲勞裂紋在棱角處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 該失效抽油桿斷裂方式為脆性斷裂，裂紋源位于扳手方和外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡位置的棱角處。失效抽油桿的碳、鉬元素含量較低，組織中出現(xiàn)含量較高的鐵素體，導(dǎo)致扳手方淬硬性和強(qiáng)度不足；扳手方與外螺紋臺(tái)階的過(guò)渡圓角半徑低于標(biāo)準(zhǔn)要求，且過(guò)渡位置表面存在凹坑，導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯。在外加載荷作用下，裂紋在過(guò)渡區(qū)棱角處起裂并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致抽油桿斷裂。

(2) 為避免同類(lèi)抽油桿斷裂事件的再次發(fā)生，在生產(chǎn)中應(yīng)保證原材料成分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，避免組織中形成鐵素體，并提高加工精度和表面質(zhì)量，避免凹坑等缺陷的出現(xiàn)；在抽油桿設(shè)計(jì)中優(yōu)化抽油桿扳手方與外螺紋臺(tái)階過(guò)渡圓角的尺寸，避免在過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。