某HL級35CrMo抽油桿斷裂原因分析

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2. 中國石油天然氣集團公司管材研究所 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077)

抽油桿是機械采油系統中連接抽油機和抽油桿柱的重要零件之一，其在服役過程中的安全性與穩定性對于油氣資源的開采有著至關重要的影響。由于抽油桿在提升和下降過程中，受拉-壓疲勞應力和采出液腐蝕的綜合作用，且服役工況復雜，因此失效事故頻發，給油田造成巨大的經濟損失。據統計，抽油桿的失效形式主要有疲勞破壞、磨損破壞和腐蝕破壞[1-10]。

鋼制抽油桿根據其強度的不同可分為C、D和H級。其中，H級抽油桿又稱高強度抽油桿，根據制造工藝，H級抽油桿又可分為HY型和HL型。其中，HL型抽油桿的屈服強度應不低于793 MPa。HL型抽油桿廣泛使用于我國油田，尤其是西部油田，其井深大、地層壓力高，對抽油桿的強度要求也更高。

近年來，我國西部某油田連續發生了多起抽油桿斷裂失效事故，抽油桿的平均使用壽命不到半年，嚴重影響了油田的安全生產。如某油井抽油桿在連續生產僅152 d后即發生斷裂，斷裂處距抽油桿頂端約2.34 m(井深206.46 m)，斷面較平整。該抽油桿材料為35CrMo鋼，HL型，入井前為經清洗、探傷合格的舊抽油桿。該油井初期日產液58.3 t，日產油58.2 t，含水量0.2%(質量分數)。生產過程中，液面由 183 m 緩慢下降至抽油桿失效前的1 655 m，后因抽油桿斷裂而關井。該油井累計產液11 956 t，產油11 932 t， 產水23 t。現場檢測數據表明，該油井生產期間硫化氫平均含量為16 540.43 mg/m3。本工作以該起典型抽油桿斷裂事故為例，通過對失效抽油桿的理化檢驗分析了其失效原因，并提出預防措施，為油田在抽油桿的選擇和使用上提供指導，避免今后再次發生類似事故。

1 理化檢驗及結果

1.1 化學成分

對失效抽油桿的化學成分進行了分析，結果如表1所示。從分析結果可以看出，該失效抽油桿的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》標準對35CrMo鋼的要求。

表1 失效抽油桿的化學成分及其標準(質量分數)

1.2 金相分析

從失效抽油桿的表層、芯部及斷口取樣進行金相分析，結果如表2及圖1～2所示。從分析結果可看出，斷口表面存在多處裂紋，呈沿晶特征，裂紋內部有灰色物質存在，裂紋周圍組織與基體一致。

表2 失效抽油桿的金相分析結果

(a) 表面

(b) 芯部圖1 失效抽油桿的顯微組織Fig.1 Microstructure of failed sucker rod:(a) surface; (b) core

(a) 沿晶裂紋

(b) 附近組織圖2 失效抽油桿斷口沿晶裂紋及附近組織Fig.2 Intergranular cracks (a) and adjacent microstructure (b) on the fracture of failed sucker rod

1.3 硬度測試

在失效抽油桿的不同位置進行硬度測試，結果如表3所示。結果表明，該失效抽油桿的硬度較高，平均為31.1HRC，且表面的硬度略高于芯部的硬度。

表3 失效抽油桿不同位置的硬度測試結果

1.4 拉伸性能

對失效抽油桿進行拉伸性能測試，結果如表4所示。結果表明，失效抽油桿的拉伸性能符合SY/T 5029—2013《抽油桿》標準對HL級抽油桿力學性能的要求。

表4 失效抽油桿的拉伸性能

1.5 斷口形貌分析

采用掃描電鏡觀察失效抽油桿的斷口形貌，如圖3和圖4所示。由圖3可見:斷口明顯分為兩個區域，Ⅰ區、Ⅱ區；Ⅰ區平整，表面發黑，有明顯的腐蝕產物；Ⅱ區有剪切唇，無明顯的塑性變形，局部可見明顯的疲勞輝紋，屬典型的疲勞斷口。由圖4可見:Ⅰ區表面有明顯的腐蝕產物，且靠近外表面部位可觀察到明顯的腐蝕坑，其余部位表面存在大量的沿晶二次裂紋；Ⅱ區表面平整，腐蝕產物不明顯。

圖3 失效抽油桿斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of failed sucker rod

(a) Ⅰ區，低倍

(b) Ⅰ區，高倍

(c) Ⅱ區，低倍

(d) Ⅱ區，高倍

1.6 斷口表面腐蝕產物分析

對斷口表面不同部位的腐蝕產物進行能譜分析，分析位置如圖5中標記的A1、A2、B1、B2四個點，其中A1、A2位于Ⅰ區，B1、B2位于Ⅱ區，分析結果如圖6、圖7所示。分析結果表明:Ⅰ區表面覆蓋有大量的腐蝕產物，主要含有Fe、C、O、S等元素，其中S元素含量非常高；Ⅱ區表面無明顯的腐蝕產物，且基本無S元素。

1.7 硫化氫應力腐蝕試驗

從失效抽油桿的完好部分取樣，依據NACE TM 0177—2016《金屬在硫化物環境中抗應力腐蝕開裂試驗》標準A法對抽油桿試樣進行應力腐蝕試

圖5 斷口表面腐蝕產物的能譜分析位置Fig.5 Positions of EDS analysis of corrosion products on surface of failed sucker rod

(a) A1

(b) A2圖6 斷口Ⅰ區的EDS分析結果Fig.6 EDS analysis results of area I in fracture

(a) B1

(b) B2圖7 斷口Ⅱ區的EDS分析結果Fig.7 EDS analysis results of area Ⅱ in fracture

驗，應力加載量為80%名義屈服強度。在試驗的過程中，3個試樣發生斷裂的時間分別為63，67，65 h，其腐蝕后的形貌如圖8所示。從分析結果可以看出，該抽油桿材料的抗硫化氫應力腐蝕開裂性能較差，在井下高溫、高壓、高含量硫化氫的復雜工況下，容易發生硫化氫應力開裂。

圖8 應力腐蝕試驗后試樣表面的宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of specimens after stress corrosion test

2 討論與分析

按照相關標準對抽油桿材料的理化性能進行了檢測評價。結果表明，抽油桿的化學成分符合GB/T 3077—2015標準對35CrMo鋼的要求，力學性能符合SY/T 5029—2013標準對HL級抽油桿力學性能的要求，金相組織無異常、無超尺寸非金屬夾雜物。

斷口微觀形貌及表面能譜分析結果表明，斷口可劃分為兩個區域，且兩個區域呈現明顯不同的特征。Ⅰ區靠近表面部位，有明顯的腐蝕坑及多處呈沿晶特征的二次裂紋，斷口表面覆蓋有大量的腐蝕產物，腐蝕產物的主要化學成分為Fe、C、O、S等元素，其中S元素含量非常高，上述分析結果均呈現出硫化氫應力腐蝕開裂的特征[11-12]。現場監測數據表明，該井硫化氫含量較高，生產期間其平均含量達16 540.43 mg/m3。該抽油桿硬度均大于22 HRC，且依據NACE TM 0177—2016標準A法進行的應力腐蝕開裂試驗結果表明，三個平行試樣均發生斷裂，該抽油桿材料抗硫化氫應力腐蝕開裂性能較差，因此同時具備了發生硫化氫應力腐蝕開裂的環境和材料雙重條件。硫化氫應力腐蝕是一種低應力破壞，在很低的拉應力下都可能發生開裂。隨著強度和硬度的提高，鋼材越容易發生硫化氫應力腐蝕開裂[13]。對于高強度的鋼鐵材料，硫化氫應力腐蝕裂紋往往為沿晶斷裂，裂紋有分岔，二次裂紋較多。當硫化氫質量濃度小于50 mg/mL時，對碳鋼的破壞需較長時間，但對于高強度鋼，即使在硫化氫含量很低(1 mg/mL)的情況下仍能引起破壞。硫化氫應力腐蝕開裂是從材料表面的局部陽極溶解、位錯露頭和蝕坑處起源的[14]。由于表面陽極溶解和蝕坑處的應力集中，氫原子易于富集，形成氫分子，因而導致脆性增大，當氫含量達到某一臨界值時，裂紋萌生。裂紋萌生后，裂紋內的氫離子含量升高，使裂紋尖端電位變負，電化學去極化腐蝕加劇。裂紋尖端的腐蝕、氫含量的增加和應力集中狀態使得裂紋快速擴展，直至斷裂。

該失效抽油桿所用的35CrMo鋼是油田通用的抗腐蝕鋼材之一，在油田開采中廣泛應用，但在含硫化氫油氣田環境中該材料頻繁發生腐蝕開裂現象，嚴重影響了油田生產[15-16]。研究表明[17-19]，35CrMo鋼在含硫化氫溶液中具有明顯的局部陽極溶解現象(點蝕)，在點蝕坑內部會發生應力集中效應，當點蝕坑生長到一定深度和尺寸后，應力和腐蝕介質的交互作用會促進裂紋的萌生和長大，直至材料斷裂。因此，在含硫化氫的酸性油田工況下，35CrMo鋼的應力腐蝕機制為氫脆和陽極溶解的共同作用。

該抽油桿斷裂位置位于井深206.46 m處，而生產過程中液面緩慢下降，液面由183 m下降至抽油桿失效前的1 655 m。因此，斷裂部位前期位于液面以下，而隨著液面不斷下降，斷裂部位很快處于液面以上。由此可判斷，Ⅰ區、Ⅱ區形成于不同階段，Ⅰ區先于Ⅱ區形成。Ⅰ區斷口是在液面以下由于硫化氫應力腐蝕開裂而形成的，Ⅰ區的形成造成局部應力集中、抽油桿強度降低，在周期性交變載荷作用下，抽油桿發生疲勞斷裂，從而形成了斷口Ⅱ區。由于Ⅱ區是在液面以上形成的，因此Ⅱ區表面無明顯的腐蝕產物。

3 結論及建議

抽油桿斷裂的形成于兩個階段，前期的硫化氫應力腐蝕開裂導致抽油桿強度降低，并形成應力集中，后期在交變載荷作用下發生疲勞斷裂。

對于含硫化氫的油井，應嚴格避免使用抗硫化氫應力腐蝕開裂性能較差的抽油桿材料。