30CrMoA抽油桿斷裂原因分析

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(西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司 陜西 西安 710061)

·失效分析與預(yù)防·

30CrMoA抽油桿斷裂原因分析

王軍，劉西西，徐藹彥

(西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司 陜西 西安 710061)

通過(guò)幾何尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、顯微組織及斷口分析等，對(duì)抽油桿的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：抽油桿的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織、非金屬夾雜物、晶粒度均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求；抽油桿失效形式為硫化氫應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的早期疲勞斷裂。在含H2S、Cl﹣等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，建議采用表面噴涂或電鍍防腐抽油桿。

30CrMoA；抽油桿；疲勞斷裂；應(yīng)力腐蝕

0 引 言

目前在多種采油方式中，機(jī)械采油占比最高，尤其是有桿泵機(jī)械采油。對(duì)于有桿泵來(lái)說(shuō)，抽油桿柱作為地面抽油機(jī)和井下抽油泵的連接設(shè)備，在三抽設(shè)備中既是一個(gè)重要部位，也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[1-4]。隨著采油年限延長(zhǎng)，下泵深度的增加，抽油桿桿柱斷裂成為影響油田生產(chǎn)的主要因素，也大大加重了油井的維護(hù)費(fèi)用[5-7]。

某井抽油桿2016年10月12日首次入井，2016年12月11日發(fā)生斷桿事故，斷裂位置1 962 m，運(yùn)行時(shí)間45天。桿斷前泵掛2 000 m，動(dòng)液面1 247 m，沉沒(méi)度753 m，工作制度為7.3 m×2.5 n/min，最大載荷140.3 kN，最小荷載45.4 kN，交變荷載94.9 kN，含水8%，通過(guò)計(jì)量分離器檢測(cè)該井H2S濃度為6 314.47 mg/m3。

1 宏觀分析

1.1 斷口形貌分析

抽油桿從桿體斷裂，桿體表面呈全面腐蝕和潰瘍狀腐蝕形貌，如圖1所示。斷口呈脆性，分為裂紋源、慢速擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)3部分，裂紋起源于抽油桿表面腐蝕坑，裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)顏色較暗。觀察孔洞附近和點(diǎn)蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物呈分層特征，而且腐蝕產(chǎn)物本身較為疏松，有剝落現(xiàn)象。

1.2 幾何尺寸測(cè)量

對(duì)斷裂抽油桿的直徑進(jìn)行測(cè)量，直徑范圍為19.06～19.38 mm，超過(guò)SY/T 5029-2013《抽油桿》標(biāo)準(zhǔn)上限(19 mm抽油桿直徑為18.64～19.25 mm)要求，應(yīng)為腐蝕產(chǎn)物富集導(dǎo)致桿體增粗。

圖1 失效樣品形貌

2 理化性能試驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)桿體的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，樣品的材質(zhì)為30CrMoA，且符合GB/T 26075-2010《抽油桿用圓鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 硬度測(cè)試

對(duì)桿體的洛氏硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。依據(jù)ASTM A370-2016《Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products》將HRC換算的抗拉強(qiáng)度為1 050 MPa，滿足SY/T 5029-2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 桿體洛氏硬度測(cè)試結(jié)果

2.3 顯微組織分析

對(duì)桿體顯微組織進(jìn)行分析，金相組織如圖2所示。金相分析表明，桿體的組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為9級(jí)。夾雜物形貌見如圖3所示，夾雜物等級(jí)見表3。從圖3和表3可見抽油桿夾雜物數(shù)量較少，且尺寸較小。

圖2 典型顯微組織形貌(500×)

圖3 典型夾雜物形貌(200×)

2.4 斷口掃描分析

斷口SEM形貌如圖4所示。可見，斷口表面有泥狀花樣，并有發(fā)紋(微裂紋)，腐蝕產(chǎn)物呈羽毛狀分布，符合應(yīng)力腐蝕的斷口特征。

對(duì)樣品表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，樣品表面的腐蝕產(chǎn)物中硫含量很高，并含有一定數(shù)量的氯離子和氧。

表3 夾雜物評(píng)定結(jié)果

圖4 斷口SEM形貌

圖5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3 斷裂原因綜合分析

該抽油桿于2016年10月12日首次入井，2016年12月11日發(fā)生斷桿事故，運(yùn)行時(shí)間僅45天。

1)材質(zhì)分析

失效的抽油桿材質(zhì)為30CrMoA，HRC均值為34，而通常含硫油氣井使用的材質(zhì)硬度應(yīng)該≤22HRC，可見30CrMoA屬于H2S腐蝕敏感材料。

2)載荷分析

該井采用的工作制度為7.3 m×2.5 n/min，最大載荷為140.3 kN，最小荷載為45.4 kN，交變荷載為94.9 kN，沉沒(méi)度為753 m，斷裂位置為1 962 m，靠近抽油泵。雖然該處桿柱的拉伸載荷相對(duì)較小，但由于該井的供液能力差，沉沒(méi)度較低，泵的充滿程度較差，桿柱在下行時(shí)，柱塞與液面之間的液擊現(xiàn)象較為明顯，存在振動(dòng)(甚至共振)載荷。此外桿柱下部桿柱受稠油、抽油泵、油管柱等的影響較大，受力較為復(fù)雜。本次斷口瞬斷區(qū)約占斷口截面的2/5，且環(huán)向占比很高，表明斷裂時(shí)的拉伸載荷并不低。

3)腐蝕介質(zhì)分析

該井通過(guò)計(jì)量分離器檢測(cè)到的H2S濃度為6 314.47 mg/m3，能譜分析證實(shí)腐蝕產(chǎn)物中硫含量很高，并含有一定數(shù)量的氯離子和氧。硫具有較高的活化能，它能破壞抽油桿表面金屬的鈍化膜，并加速抽油桿表面沉積物下的腐蝕，使得抽油桿在短時(shí)間產(chǎn)生大量腐蝕坑，腐蝕坑內(nèi)的局部含酸高，又加劇了腐蝕的進(jìn)行。而氧是一種去極劑，腐蝕速度分別達(dá)到CO2和H2S腐蝕速度的80倍和400倍，隨濃度增加腐蝕速率先增后減(表面產(chǎn)生氧化物鈍化膜)。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于多相流(固、液、氣態(tài))的沖刷作用、抽油桿上行和下行過(guò)程中與井液的摩擦作用及存在Cl﹣，抽油桿表面很難產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。在這里硫和氧是腐蝕源，Cl﹣是加速腐蝕的催化劑。本次管柱斷裂位置地層溫度約為55 ℃(按2.79 ℃/100m)，屬于H2S、O、Cl﹣綜合腐蝕比較適宜的溫度。

綜上所述，本次抽抽油桿的斷口特征及腐蝕產(chǎn)物能譜分析表明，抽油桿的失效形式為硫化氫應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的早期疲勞斷裂。

4 結(jié)論及建議

1)30CrMoA的化學(xué)成分、換算的抗拉強(qiáng)度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織、夾雜物、晶粒度也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)抽油桿失效形式為硫化氫應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的早期疲勞斷裂。

3)在含H2S、Cl﹣等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，建議采用表面噴涂或電鍍防腐抽油桿。

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FractureReasonAnalysisof30CrMoASuckerRod

WANGJun,LIUXixi,XUAiyan

(Xi′anServStressEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Xi′an,Shaanxi710061,China)

The failure reason of sucker rod was analyzed through geometric measure, chemical composition, mechanical properties test, and microstructure and fracture analysis. The results showed that the chemical composition and tensile strength of sucker rod meet the requirements of the relevant standards. The microstructure, nonmetallic inclusions and grain size were also up to the standard. It is concluded that the failure modes of sucker rod is early fatigue fracture caused by hydrogen sulfide stress corrosion. It is suggested that the sucker rods with surface coating or electroplating are used in environment with the corrosive medium such as H2S, Cl-.

30CrMoA; sucker rod; fatigue fracture; stress corrosion

王軍，男，1981年生，工程師，2009年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料加工工程專業(yè)，主要從事新型油井管開發(fā)及失效分析工作。E-mail：wjunshanxi@163.com

TE933.2

A

2096-0077(2017)06-0068-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.017

2017-04-24

葛明君)