潛油電泵氣體處理器失效原因探析

王傳宗

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

作為油田生產活動中的重要設備，潛油電泵氣體處理器一旦失效，將會對整個生產活動造成嚴重影響，甚至還會導致生產安全事故。基于此，相關單位需要對此故障引起重視，采取針對性的處理措施進行防范，保障潛油電泵安全穩定運行。

1 項目概述

某油田有大量潛油泵井，相關單位開展設備日常檢修工作時發現，該設備氣體處理器存在有斷裂現象。根據設備應用情況來看，已累計應用500 余天，在井下作業過程中，主要介質為油汽水混合液，該設備構成材料為45#鋼，作業環境壓力15 MPa，井下實際運行溫度可達150 ℃。通過對該設備觀察可發現，斷裂位置位于電機組，與下接頭相距20 cm，并且在潛油電泵氣體處理器表面還發生兩處穿孔現象。嚴重情況下將會導致油田生產活動停產，甚至發生安全事故。因此，需要對潛油電泵氣體處理器失效故障引起重視，采取科學合理的應對措施進行防范處理[1]。

2 潛油電泵氣體處理器送檢狀況

通過將失效的潛油電泵氣體處理器樣品1 與樣品2 送檢分析可知，樣品1 整體長度為102 cm，外觀呈現出暗黑色，并且在管體表面無任何腐蝕現象。通過觀察分離器，其外觀無任何塑性形變問題，在潛油電泵氣體處理器的出氣口部位，存在有兩處穿孔現象。具體穿孔位置在潛油電泵氣體處理器與泵體相連接區域，整個穿孔現象沿著氣體處理器呈現出長條形狀，寬約10 mm，長度分別為30 mm、20 mm。在樣品2 中，該設備整體長度為185 cm，管體表面呈現出銹紅色，表面無任何腐蝕坑。通過對樣品2 詳細觀察可知，在設備斷裂部位存在有斷口與泵體內部葉輪片平齊現象，并且在斷口部位還表現出較為明顯的剪切唇現象，塑性形變痕跡較為明顯[2]。由此可知，樣品2 斷口現象屬于韌性斷裂。

3 結果與分析

在對潛油電泵氣體處理器失效原因探究過程中，需要對其開展結合尺寸測量、無傷探測、電鏡掃描、金相分析、力學性能分析等工作，以此判斷潛油電泵氣體處理器運行情況，以便采取針對性措施進行處理。

3.1 樣品幾何尺寸測量

應用超聲波測厚儀對樣品1、樣品2 殼體管壁厚度進行測量，發現在泵體外徑及壁厚分布均勻，并無任何塑性形變問題，符合項目標準及規定。

3.2 無傷探測

本次無傷探測選擇磁粉探傷，應用CJZ-212 型磁粉檢測機，始終遵循JB/T 4730.4—2005《承壓設備無損檢測》規范，對樣品1、樣品2 進行探傷。經檢測樣品表面未發現裂紋現象。

3.3 化學成分分析

對樣品1、樣品2 殼體、穿孔、斷口處取樣，采用直讀光譜儀對其進行檢測分析。由表1 可知，該樣品材料化學成分均滿足項目要求，由此可見，該設備失效原因與材料化學成分無關。

表1 樣品化學成分檢測結果

3.4 電鏡掃描分析

應用TESCAN VEGA II 型掃描電子顯微鏡，對潛油電泵的穿孔位置及泵體斷口位置樣品進行觀測，開展能譜分析工作，對樣品表面進行全面觀察。樣品1 無明顯腐蝕物質，樣品2 通過顯微鏡可以看到斷口處存在有明顯的腐蝕產物膜，整體組織十分疏松[3]。能譜分析結果表明，斷口處主要元素為鐵、氧及碳，由此推斷在樣品2 斷口處可能存在有二氧化硅、氧化鐵等腐蝕產物，這可能是設備失效的主要因素之一。為了保障設備穩定運行，相關單位需要對此因素進行防控，以免影響生產活動順利開展。

3.5 金相分析

金相分析是潛油電泵氣體處理器試驗中的重要環節，該環節能夠對設備材料中的晶粒度分布情況進行探究，以此判斷設備是否在使用過程中出現應力集中現象，探明設備失效原因。在對潛油電泵氣體處理器樣品開展金相分析時，需要從兩個樣品的斷口部位及殼體截取金相進行試驗。在此過程中要嚴格按照相關標準，采取MEF4M 金相顯微鏡，對不同部位的式樣組織、晶粒度等進行觀測分析。通過試驗得知，有關潛油電泵的殼體組織主要由鐵元素及珠光體構成，在材料構成中，非金屬夾雜物等級有D0.5、B0.5、A0.5，有關晶粒度等級20%為6.5 級、80%為9.5 級。整體來看，在試驗樣品當中，晶粒度整體分布不均，其內部組織呈現出較為粗大的現象[4]。在斷口、穿孔部位，明顯存在塑性變形現象，并且變形毫無規律十分雜亂，由此可以判定在此處發生應力集中現象，這也是導致該設備失效的因素之一。基于此，相關單位需要對此引起重視，采取針對性的措施優化設備運行環境，以免外部因素給設備性能帶來影響，保障設備穩定運行。

3.6 力學性能分析

對樣品1、樣品2 殼體具有代表性的部位取樣，開展縱向拉伸實驗，該殼體樣品規格為19 mm×50 mm。在開展試驗工作時要注意，整個活動都要在室溫條件下進行，通過拉伸發現，該殼體材料伸長率符合我國45#鋼的相關要求。隨后，取殼體小樣，對其開展硬度實驗，采用布氏硬度試驗方法，在此過程中采用187.5 kg 載荷與2.5 mm 壓頭，結果見表2，發現該設備殼體材料滿足45#鋼硬度性能要求[5]。

表2 布氏硬度檢測結果 HB

4 失效原因分析

4.1 穿孔失效分析

通過上述試驗可知，對于發生斷裂現象的潛油電泵氣體處理器而言，該設備壁厚及外徑，整體分布較為均勻，并且在殼體表面無明顯塑性變形現象。通過探傷觀測可知，在該設備殼體外表面也沒有產生裂紋等現象。但是通過化學成分分析可知，在潛油電泵運行過程中，其殼體材料完全滿足45#鋼標準要求。但是在力學試驗中，有關殼體材料的拉伸性能及布氏硬度，不能滿足45#鋼[6]。部分試樣在檢測過程中發現斷裂后的材料伸長率不能達到要求的伸長度。在金相分析中可以發現有關樣品組織主要構成為鐵元素與珠光體，并且在材料組織當中晶粒度分布不均，部分組織甚至出現粗大現象，有關殼體穿孔部位也出現了較為明顯的變形現象。此外，在樣品1 當中，發現所有穿孔位置都位于螺紋連接處，并且整個穿孔直接貫穿了螺紋，由此可知，該穿孔現象與設備內螺紋兩者之間具有明顯關系。通過對樣品外貌觀察可知，穿孔部位并無明顯腐蝕現象，但是在設備殼體內部卻存在有輕微腐蝕。而后結合設備穿孔位置可以判斷，在樣品1 當中出現穿孔的主要因素在于該位置出現了穿透性裂紋，導致電泵內部運行介質通過裂紋直接穿刺出來，最終造成穿孔現象。

4.2 斷裂失效分析

通過對樣品2 進行分析可知，斷口處處于氣體處理器螺紋消失區域。設備的殼體部位與心部旋轉導輪間存在不銹鋼內襯，內襯的主要作用在于對設備處理器內部進行防腐蝕保護。此外，設備內襯與殼體內壁之間主要通過機械方式進行連接。在設備運行過程中，發現振動殼體內部存在滑動現象，導致內襯與螺紋之間存在間隙，液體通過該間隙導致處理器殼體出現腐蝕現象，最終形成疲勞源，在設備后期運行過程中出現斷裂現象。

5 結語

綜上所述，因為潛油電泵內螺紋存在穿透性裂紋現象，導致設備中沒有位于嚙合部位的內螺紋出現了穿孔現象。為了有效防治該問題，可以通過減少設備內螺紋長度的方式，使其與外螺紋長度相吻合，以解決設備應力集中問題。此外，潛油電泵殼體內部發生了腐蝕現象，并且組織分布不均，導致設備存在疲勞斷裂。為了解決這一問題，可以定期對設備運行情況進行抽檢，通過強化電泵質量的方式確保設備性能良好，能夠安全穩定運行。