抽油桿腐蝕缺陷形貌對壽命影響的研究

許猛 馮松

摘 要：抽油桿的服役條件是承受不對稱循環載荷的作用和承受腐蝕介質的侵蝕作用，其中由于產生腐蝕坑而引起的斷桿占到40%以上。目前沒有一個標準來確定不同腐蝕程度的抽油桿是否能再利用。本文通過逆向工程，疲勞強度分析，數據處理等方法，提出了一套確定不同腐蝕程度對抽油桿剩余壽命影響的方法。

關鍵詞：抽油桿;腐蝕;逆向工程;疲勞分析;數據處理;剩余壽命

引言

抽油桿是有桿抽抽油設備的重要部件。由抽油桿組成的抽油桿柱上接光桿，下接抽油泵柱塞，將地面上的抽油機的能量傳到地下，帶動井下抽油泵工作。抽抽桿的主要失效形式是疲勞斷裂或者腐蝕疲勞失效。文獻[1-3]均提到抽油桿腐蝕，可知抽油桿腐蝕是抽油桿發生疲勞斷裂的源頭。所以，研究抽油桿腐蝕坑對抽油桿服役期限的影響是非常重要的。

本文通過對帶有腐蝕坑的直徑為22mm的D級抽油桿（20CrMo鋼）進行加工，采集抽油桿腐蝕坑處的斷面圖像，利用Matlab、Solidworks、Ansys、First Optimization、等找出腐蝕坑幾何特征參數與抽油桿剩余壽命之間的關系。

1 信息提取模型建立

對帶有腐蝕坑的抽油桿段在普通車床上進行車削加工，固定好相機，調好焦距，給三爪卡盤選好定位基準，每車削0.2mm停車一次并將三爪卡盤旋轉到基準位置，進行拍照，利用MATLAB提取到端面圖像信息并建立三維模型。如圖2所示。

2 腐蝕坑對抽油桿強度的影響

分別建立軸向長度，徑向深度與橫向寬度其中一項不變而其他數據變化的三維模型，并導入到Ansys中進行有限元分析提取應力值表1模擬數據

表中的k，x，y為d=22mm的抽油桿上腐蝕坑模型的集合尺寸，k為軸向，x垂直于k，y為徑向。

采用不同優化方法擬合表中所有數據，發現，準牛頓法（BFGS） +

通用全局優化法均方差（RMSE）： 0.054和相關系數（R）： 0.931最小，證明該方法最優。所以應力集中公式為

p1=10.0524;p2=-2.6040E-5;p3=-23211.3284;p4=0.0047;p5=-0.3369;

利用表中所得的結果對此數學模型進行檢驗

從表中數據百分差可以看出，函數模型所得的計算結果都大于模擬分析所得的結果，且在10%以內。綜上，這個函數模型是正確的。

3 帶腐蝕坑的抽油桿的剩余壽命分析

在交變負荷下，抽油桿往往是由于疲勞而發生破壞，而不是在最大的應力下破壞。所以抽油桿必須根據疲勞強度來進行計算。

實測一口井A使用CYJ5-1812抽油機，I=3.2m，r=0.74m，泵掛深度為808m，沖程S=2.7米。沖數n=9次/min，使用直徑為22mm的D級抽油桿，原油密度為960kg/m3，油井含水高。抽油桿最大應力值為107.4MPa。

如果腐蝕坑處發生疲勞破壞，則其應力集中系數必須大于。

當應力集中系數小于3.82時，腐蝕坑處不會發生疲勞破壞，還可以安全服役的次數大于等于107次。下面計算當應力集中系數大于3.82時，抽油桿的剩余壽命與應力集中系數的關系。

該井的檢修周期為2年，循環應力次數為N1=9.46×106次，可以認為腐蝕坑的應力集中系數是線性變化的，取從開始產生損傷的應力集中系數3.82和檢測時的應力集中系數z的平均數作為估算此階段的循環次數，約為次。從而就可以估算出桿的損傷程度，推知抽油桿的剩余壽命。安全系數1.1，得到抽油桿腐蝕坑處的應力集中系數與剩余壽命關系為

當3.82

當z<3.82時，其安全服役的次數大于等于107次。

4 結論

本文通過對20CrMo鋼抽油桿的腐蝕坑模型的三維重建與模擬分析，找出了抽油桿腐蝕坑的長、寬和深對壽命影響的關系，這樣通過這兩項技術就可以判斷被腐蝕的抽油桿是否能安全服役。

參考文獻：

[1] 吳則中，李景文. 有桿抽油設備與技術[M]，北京：石油工業出版社，1994.

[2] 葉俊，姜炳衛. 中原油田金屬設備腐蝕調查[J]，石油化工腐蝕與防護學報，1997：329-331.

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