潛油電泵氣體處理器失效原因分析及對策

李志國

（中油國際（伊拉克）艾哈代布公司，北京 100083）

0 引言

某油田的潛油電泵生產井周期檢泵作業中發現潛油電泵機組氣體處理器出現斷裂脫落問題，該井井下介質為固液混合，運行壓力為16 MPa，井下溫度約為150℃，該潛油電泵氣體處理器材料為45號鋼，參照GB/T 699—1999《優質碳素結構鋼》的工藝標準進行生產。

完全取出電潛泵設備以后，確定斷裂位置為接頭下20 cm位置，經過掃描檢測，在接頭周邊還發現了兩處穿孔。電潛泵在運行過程中發生斷裂和穿孔后，可以直接造成電潛泵功能失效，引起停產，因此分析電潛泵故障原因及處理方法是保障原油生產持續性的必要工作。

1 失效電泵氣體處理器宏觀失效狀況

對兩根氣體處理器進行失效原因分析，其中1號失效處理器總長度約為112 cm，表面有暗紅色防腐涂層，涂層整體較為完整，管線沒有明顯的形變，穿孔位置位于出氣孔20 cm左右，緊鄰泵體連接處的螺紋區域，軸向距離約40 mm。2號失效處理其總長度約為204 cm，表面防腐涂層損傷明顯，表面存在大量的黃色鐵銹，斷口處沒有明顯的塑性變形，經過掃描檢查，端口處呈45°斜角，屬于韌性斷裂。

2 結果與分析

2.1 幾何尺寸測量

為了提高實驗研究的整體精度以及結果的客觀性，采用美產超聲波測厚儀器進行管壁的厚度測量工作，經過測量顯示，潛油電泵外徑和管壁的厚度分布相對均與，基本符合產品質量要求，整體沒有塑性形變，其他位置相對完整。

2.2 無損探傷

無損探傷使用的是目前精度最高的cjz-212型號的磁粉探傷檢測機，它可以有效識別0.1 cm以上寬度的裂口。為了提高檢測精度使用顯像能力的熒光磁粉，經過檢測沒有裂紋。

2.3 化學成分分析

為了更精準客觀的分析泵體損傷的原因，對其進行材質化學成分分析實驗，實驗參照《碳素鋼和中低合金鋼火花原子發射光譜分析法》進行，實驗采用arl 4460光譜分析設備。檢查結果顯示外殼成分中包含碳、硅、錳、磷、硫、鉻、銅等金屬成分，各成本含量符合我國對45號鋼材的要求。

2.4 力學能力分析

力學能力分析是判斷外殼強度是否符合井下環境需求的研究內容，首先對兩個潛油電泵外殼繼續拉伸實驗，常溫下拉伸結果：1號外殼最終的屈服強度為742 MPa，超過742 MPa時外殼材料發生形變，在強度上升至819 MPa時，外殼材料出現了13%的形變；2號泵體外殼最終的屈服強度為756 MPa，在拉伸強度達到819 MPa時出現了12%的整體形變。將實驗結果與GB/T 699—1999標準進行對比，兩種外殼的拉伸延長測試不符合該標準。可見外殼材料強度不足是潛油電泵失效的原因之一。

隨后對外殼進行切割取樣，進行硬度測試，測試方法參照布式硬度實驗方法繼續進行，經過實驗分析最終確定1號泵殼材料硬度為243 HB，2號泵殼材料硬度為238 HB，而國標鋼材硬度要求為229 HB以內，因此兩種外殼在硬度上均不符合45號鋼材的要求。

2.5 金相分析

分別從1號和2號潛油電泵氣體處理其殼體以及穿孔處截面進行金相分析，依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜無含量的測量標準評級圖顯微檢驗法》、GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》，應用MEF4M金相顯微鏡對其組織、非金屬夾雜物與晶粒度進行分析，該殼體組織為珠光體P+鐵素體F，非金屬夾雜物等級分別為A 0.5、B 0.5、D 0.5，晶粒度等級為80%的9.5級與20%的6.5級，晶粒度不均勻，部分組織粗大。還可以觀察到穿孔和斷口附近組織有明顯的組織變形，且不均勻性，說明此處有應力集中。

3 失效機理分析

3.1 穿孔失效分析

根據前文的實驗結果，可以得出下述結論，首先兩個潛油電泵氣體處理器外殼厚度平均，外殼表面均沒有發現明顯的塑性形變，在經過儀器檢測后也沒有發現外殼存在內部損傷，經過電化學實驗檢測電泵氣體處理，其外殼金屬成分符合產品的相關要求，但通過力學系列實驗可以發現，該外殼材料的拉伸強度以及硬度均不符合45號鋼材的相關要求，同時穿孔位置存在明顯的金相組織變形。

1號潛油電泵氣體處理器外殼穿孔位置處于螺紋連接處，穿孔呈貫穿式，初步判斷其與螺紋存在直接關系，穿孔呈橢圓形，穿孔斷壁表面輕微腐蝕，由此可以推斷1號泵的穿孔原因是螺紋部分剛體強度以及拉伸強度不夠，在井下多種應力的作用下螺紋區域出現了穿透性裂紋，在電泵高振動頻率的工作下裂縫產生疲勞性擴散，最終內介質由裂縫處刺穿形成穿孔。

3.2 斷裂失效分析

根據前文的試驗分析可以得知，2號潛油電泵氣體處理器外殼斷裂位置的螺紋已經無法用肉眼直接識別了，斷裂面有明顯的彎曲、呈45°角，斷裂位置有明顯的塑性形變的痕跡，可以判斷屬于韌性斷裂。根據廠家提供的資料顯示，為了降低設備在使用過程中出現的內部腐蝕及磨損現象，在外殼與旋轉位置之間設置了不銹鋼內襯，降低導輪與外殼之間的磨損。但內襯在使用過程中會與內螺紋產生磨損，導致螺紋發生疲勞性損壞，以及一氧化碳和二氧化碳產生的腐蝕性損害。根據前期內、外螺紋接觸區受力分布研究表明，其受力分布由高到低，在整個螺紋接頭中，外螺紋最大張應力區出現在外螺紋倒數（由斷面向管體中部）2～3扣的螺紋牙根部，內螺紋最大張應力出現在內螺紋尾部區域。在該潛油電泵螺紋連接處，由于其內螺紋區域較外螺紋區域長，導致內、外螺紋嚙合時，內螺紋尾部域與未嚙合螺紋牙疊加，進一步增大了該區域應力。

此外，2號泵殼斷裂位面也存在相對平坦的區域，說明該斷裂是經過疲勞擴展不斷發展最終產生斷裂的，這與泵殼鋼材性能有著直接的關系。根據前文的金相分析結果可以看出，2號泵體外殼材料中晶粒度較為粗大，遠超相關標準的要求范圍，導致外殼鋼材的強度分布不均勻，在受到應力時容易出現斷裂的情況。綜上所述，2號潛油電泵氣體處理器外殼斷裂的最終原因是，外殼與內襯層在運轉時存在機械磨損以及腐蝕性磨損，導致外殼厚度不斷減小，同時材料強度分布不均勻，在井下工作時受到多種外部應力等多種因素的共同影響發生了疲勞性斷裂。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）潛油電泵殼體穿孔是由于螺紋處穿透性裂縫，在應力作用下裂縫不斷擴展最終導致穿孔的形成，這與螺紋連接處存在沒有咬合的內螺紋也有著直接關聯。

（2）潛油電泵氣體處理氣外殼斷裂，與內襯層腐蝕、材料性質不符合產品設置需求以及井下高溫、高壓、高腐蝕性的環境有著直接聯系，其中組織粗大不均勻以及外殼腐蝕磨損程度較高時造成斷裂是直接原因。

4.2 建議

（1）減少接口位置的螺紋區域長度，讓內、外螺紋長度相等，從而減小螺紋未咬合區域的最終承受應力，降低裂縫疲勞性擴張速度，減小穿孔發生的可能。

（2）加強對泵體外殼材料的檢查力度，控制電泵生產質量水平，加強抽檢制度。