抽油桿常見斷裂失效情況分析

摘要：抽油桿是抽油裝置系統的重要組成部分，它在地上連接抽油機，在井下連接抽油泵，起傳遞動力的作用。斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法，記錄了斷裂的產生原因、擴散途徑、擴散過程及影響裂紋擴散的各種內外因素。通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進構件設計、提高材料性能、改善生產工藝提供依據。

關鍵詞：抽油桿；抽油裝置系統；斷裂失效；斷口分析；采油裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE933 文章編號：1009-2374（2015）10-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0897

1 抽油桿的工作原理

抽油桿是采油裝置的一個重要組成部分，它在地上連接抽油機，在井下連接抽油泵，起傳遞動力的作用。抽油桿分實心抽油桿和空心抽油桿兩種，實心抽油桿國際上一般采用長度為：7.62m，即25ft；9.14m，即30ft；8m左右，而空心抽油桿通常采用8m長度。

抽油桿是抽油機-柱塞抽油泵舉升系統中最薄弱的環節之一。在石油開采過程中，由于油液含水量不斷變化，油液中腐蝕介質與日俱增，經常會因發生抽油桿斷脫等事故而停產。

對于螺桿泵專用驅動抽油桿來說，它不僅需要承擔驅動抽油桿的自身重量，同時要承載下層油液通過螺桿泵轉子傳遞來的油液壓力，還要承擔上方電機給予的扭矩。因此，抽油桿是抽油裝置中受力最為復雜的環節。

2 斷裂發生的情況及種類

2.1 斷裂的類型

根據斷裂前金屬材料產生塑性形變量的大小，可分為塑性斷裂和脆性斷裂。

塑性斷裂：斷裂前產生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。

脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結晶狀。

塑性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區別是裂紋擴散的情況不同。

2.2 斷裂的方式

根據斷裂面的取向可分為正斷和切斷。

正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應力方向垂直，一般為脆性斷裂，也可能為韌性斷裂。

切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應力方向呈45°，一般為韌性斷裂。

2.3 斷裂的形式

裂紋擴散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。

穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內部，一般韌性斷裂也可為脆性斷裂。

晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，沿晶粒邊緣開裂，屬脆性斷裂。

2.4 斷口分析

斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產生原因、擴散途徑，擴散過程及影響裂紋擴散的各種因素，所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進構件設計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據。在斷口的分析中，各種斷裂機制的提出主要是以斷口的微觀形態為基礎，并根據斷裂性質、斷裂方式以及同環境和時間因素的密切相關性而加以分類。

2.5 宏觀斷口分析

斷口三要素：纖維區，放射區，剪切唇。

纖維區：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。

放射區：宏觀特征是表面呈結晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。

剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。

2.6 微觀斷口分析

微觀斷口分析主要采用高倍電子顯微鏡對斷口進行分析，在顯微鏡下，通過斷口所呈現的不規則形狀來判定斷口形成機理，并把斷口的形貌分析同斷裂力學指標聯系起來，系統地建立了斷裂機制圖，通過適當的斷裂參數、力學參數或物理參數作為坐標系，用它來確立各種可能出現的微觀斷裂機制的區域，以便發現各類金屬斷裂的普遍規律，這對解決一些工程斷裂問題十分有用。斷裂機制圖對工程設計、材料選擇、使用條件的限制以及失效分析等都能提供十分重要的指導性意見和數據資料。

3 斷裂在抽油桿使用過程中易出現的情況

在抽油桿的使用過程中必然會出現這樣或那樣的井況不穩定等因素，這些因素將直接導致抽油桿在桿體處或連接接頭處發生斷裂。

3.1 原材料原因導致的斷裂

抽油桿在生產過程中存在誤檢、漏檢、未檢出，致使材質存在問題的原材料投入到生產線中，使成品抽油桿達不到標準要求的許用應力值，當抽油桿下放到井中后，無法承載設計要求而發生斷裂。例如：桿體軋制過程中內部產生微裂紋源，經過熱處理后，極易使微裂紋源長大，擴展并開裂，直接導致井下事故的發生；桿體存在褶皮，使內表面徑向截面積變小，導致桿體所受應力不均勻，局部應力過大，超出桿體局部承載能力最終產生斷裂。

3.2 抽油泵卡泵

抽油泵在井下由于某種原因而無法完成沖程動作時，將會使抽油桿斷裂位置的上下部分發生向兩個方向的應力施加，上部分在做下沖程過程中有向下的應力，而下部分由于卡泵原因無法繼續向下做下沖程，使斷裂位置發生彎曲，產生彎矩，在斷裂位置彎矩超過允許值。對于螺桿泵來說，在卡泵位置發生螺旋卡死，而使轉子不發生旋轉，而地上電機仍然在進行旋轉扭矩的施加，使驅動抽油桿在斷裂位置發生上下兩部分扭矩方向相反而發生斷裂。此兩種斷裂多為塑性斷裂。

3.3 抽油機重新啟動

每當抽油機重新啟動時都會產生拉應力或扭矩的峰值，這個峰值會比正常作業穩定值高2～3倍，遠遠超出產品許用應力值及扭矩值而發生抽油桿斷裂，此種斷裂多為脆性斷裂。

3.4 井斜

在進行鉆井過程中，由于地層的限制，必然會出現某一深度無法使井嚴格地垂直于地面，即在某一深度會與垂直線存在一個角度，這一深度即為拐點，在此處抽油桿將會發生彎曲，此時便使抽油桿在不斷地承受一面為拉應力，而另一面承受壓應力，在拉壓應力交匯處將會產生一個剪應力，在這種情況下，抽油桿多在這個交匯處發生斷裂。斷口多為由于長期受交變載荷作用而產生的疲勞斷口。在宏觀斷口表面可以看到疲勞斷口的特征—疲勞輝紋。

3.5 腐蝕

近年來，由于石油開采技術的提高，在石油開采過程中會添加一些化學藥劑，同時井下油液中也會含有某些腐蝕介質，這些化學物質對于抽油桿具有一定的傷害，對抽油桿具有腐蝕作用，明顯的特征為桿體表面可以看到腐蝕后產生的凹坑。由于抽油桿在工作過程中必然受拉應力作用，在拉應力及腐蝕介質共同作用下，產生了應力腐蝕斷裂。且應力腐蝕斷裂速率為各種斷裂中最快的斷裂。

3.6 偏磨

當井的斜度超過一定角度時，抽油桿在桿體或接箍部分與油管壁發生磨擦，使局部應力值增大，加大了抽油桿的負載，抽油桿的承載超出許用應力值而發生斷裂。明顯能看到發生偏磨的部分比其他部分光亮。

4 結語

由于抽油桿在采油裝置中在地上連接抽油機，在井下連接抽油泵的重要地位，為避免抽油桿頻繁發生斷裂，得出以下結論：（1）嚴控原材料的把關，杜絕存在問題的原材料進入生產序；（2）開發新型抽油桿，提高抽油桿的抗腐蝕能力；（3）研發新工藝，提高抽油桿的抗疲勞強度；（4）在斜度比較大的井中采用短節連接的方式，減少抽油桿所承受的交變載荷。

參考文獻

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作者簡介：張強（1984-），男，黑龍江哈爾濱人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司助理工程師，研究方向：機械加工。

（責任編輯：黃銀芳）