抽油桿疲勞性能試驗影響因素分析

馬千惠，李宏威，張乃元，王桂全，王路石

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工藝研究院（黑龍江 大慶 163453）

2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室（黑龍江 大慶 163453）

0 引言

有桿泵采油系統是我國各大油田的主要采油方式，該方式年產油量占比約75%。抽油桿是有桿泵采油系統中重要部件之一，使用量大[1]。中國作為抽油桿的生產大國和使用大國，生產企業遍布全國19 個省市，重點企業50 余家，年產能1.5×108m。隨著共建“一帶一路”倡議提出10年來，抽油桿市場逐步呈國際化趨勢，中國已成為抽油桿出口大國，已銷往25個國家和地區。

隨著油田開發難度的加大，特別是近年來非常規油藏的開發，水平井、深井、超深井井數逐年增加，對抽油桿的性能提出更高的要求。目前我國抽油桿失效約占油井生產事故的35%。抽油桿的失效嚴重影響了油井連續作業，不僅存在嚴重的安全隱患，還將面臨巨大的經濟損失。在我國每發生一次斷桿事故,油井作業費、減產成本折合可達2~3 萬元[2]。

近年來，我國抽油桿各生產研發單位對抽油桿的服役條件、主要技術性能要求以及主要失效形式方面進行了深入研究。

1）抽油桿服役條件是抽油桿承受不對稱循環載荷的作用，受到CO2、H2S 和Cl-1等腐蝕介質的侵蝕，抽油桿的偏磨現象普遍發生在各生產井中[3-4]。

2）抽油桿最主要的技術性能要求是抗疲勞性能或抗腐蝕疲勞性能，抽油桿磨損加劇了疲勞斷裂。

3）抽油桿主要失效形式是疲勞斷裂或腐蝕疲勞斷裂，桿柱的偏磨會加劇疲勞斷裂現象的出現[5]。

抽油桿疲勞性能是反應抽油桿綜合性能的重要指標，準確高效檢測疲勞性能可為提高抽油桿產品質量及產品競爭力奠定基礎。

1 影響因素分析

據統計，近年來疲勞試驗的成功率最高約為20%[6-7]，其試驗失敗的主要原因是試樣斷裂在夾持部位，而非有效部位。其過低的試驗成功率不僅浪費抽油桿樣品，同時降低實驗人員工作效率，增大工作強度。試驗結果的影響因素主要有以下幾方面。

1）夾持裝置。目前常用的疲勞試驗機多配備V型夾具，如圖1 所示。當V 型夾具與抽油桿試樣接觸時為線接觸或點接觸，如圖2 所示。V 型夾具夾緊試樣后所產生的應力集中易形成裂紋源，逐漸形成裂紋核，裂紋核則會繼續擴展變成裂紋，從而導致在試樣夾持部位斷裂，試樣在未達到疲勞極限時發生斷裂，疲勞試驗無法正常進行[8]。

圖1 V型夾具圖

圖2 V型夾具與試樣接觸形式圖

2）試驗頻率。過高的試驗頻率會導致樣品發熱，從而降低試樣的疲勞性能[9]。SY/T 5029—2013《抽油桿》[10]中要求試驗頻率小于150 Hz，采用Ⅱ型試樣分別在5 Hz和50 Hz兩種頻率對D級抽油桿（試驗應力為406 MPa）進行試驗，其試驗數據見表1。

表1 406 MPa試驗應力下不同疲勞試驗頻率試驗結果

由表1 中數據可知，不同疲勞試驗頻率下其疲勞壽命均能達到100萬次，不存在明顯差異。

3）試樣樣式。SY/T 5029—2013《抽油桿》附錄Ⅰ中提出了兩種鋼制抽油桿疲勞性能試樣：Ⅰ型試樣和Ⅱ型試樣，如圖3 所示。Ⅰ型試樣為全尺寸短抽油桿試樣，其制造工藝應和批量生產工藝一致，是單獨在生產過程中按照標準要求尺寸生產[10]；Ⅱ型試樣應從批量生產的產品隨機截取的試樣。因此，Ⅱ型試樣更能說明該批抽油桿的質量狀況，在實際檢測中Ⅱ型試樣更為常見。使用Ⅱ型試樣試驗失敗時，斷裂部位如圖4所示。

圖3 抽油桿試樣

圖4 斷裂部位圖

4）試樣表面狀態。試樣的表面狀態會對結果有影響，如表面粗糙度過大、殘余應力的存在、雜質或微觀結構的改變等。在試驗過程中，當試樣表面有凹痕、刻痕、結疤、軋制飛邊、軋制折疊及機械損傷等不連續缺陷時，極易在該部位產生應力集中，從而形成裂紋源，最終造成試樣未達到疲勞極限時就發生斷裂的現象[7]。

5）試驗機夾具同軸度。試驗機夾具的同軸度是試驗機重要技術參數之一，主要由夾具的角偏置或側向偏置或兩者組合引起。同軸度過大極易在夾持部位出現附加彎矩[11]，應力與拉伸應力疊加產生應力集中，在夾持部位提前斷裂，從而導致試驗失敗。

2 應對措施

1）夾持裝置。通過對現有的夾持裝置研究分析，為有效避免試樣與夾具接觸時產生應力集中，從而導致試樣提前斷裂的問題。設計三瓣式夾具，如圖5 所示。增加夾具與抽油桿試樣的接觸面，將V 型槽更改圓弧面，三瓣式夾具可有效減少對試樣表面的損傷，試驗過程中不會出現明顯夾持痕跡，能有效避免應力集中問題。

圖5 三瓣式夾具

2）試樣樣式。為進一步避免應力集中問題，對現有試樣進行分析，設計啞鈴型試樣，如圖6 所示，具體尺寸見表2。

表2 啞鈴型試樣尺寸數據表

圖6 抽油桿啞鈴型試樣圖

3）試樣表面狀態。應盡可能將表面狀態的影響降低至最小，表面粗糙度應不大于0.2μm。應在熱處理后進行最終的打磨處理，熱處理過程不應改變試樣的微觀結構。盡可能減少機加工產生的表面損傷，制樣時應在磨削后進行拋光，拋光后應進行檢查，確保試樣測試長度內沒有圓周方向的劃痕[11]。

4）試驗機夾具同軸度。根據GB/T 3075—2021《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》的要求，疲勞試驗機的同軸度應不大于5%，且在每次系列試驗之前或裝置發生改變后均應進行檢查確認[11]。

3 試驗驗證及效果評價

3.1 試驗驗證

選取桿體直徑為22 mm的D級抽油桿制作啞鈴型試樣，并使用三瓣式夾具進行試驗驗證。試驗應力為406 MPa，試驗頻率≤150 Hz，試樣及試驗波形如圖7 所示，5 次試驗結果如圖8 所示，試驗數據見表3。

表3 啞鈴型試樣疲勞試驗數據表

圖7 啞鈴型試樣及試驗波形

圖8 試驗結果

根據SY/T 5029—2013 附錄L 中L.4 的規定，5根試樣在1×106循環次數下未發生疲勞斷裂，則為合格。由表3試驗數據可知，5根試樣均斷裂在有效部位，滿足標準要求。

3.2 效果評價

根據上述試驗驗證可知，采用三瓣式夾具以及啞鈴型試樣，可有效提高試驗成功率。

以直徑22 mm 抽油桿為例，每米價格約30 元，進行一組疲勞試驗共需要5 根斷裂在有效部位的試樣，以一根試樣300 mm、20%的試驗成功率計算，至少節約6 m 抽油桿樣品，單次試驗可節約樣品費用約180 元。以某國家檢測中心疲勞試驗收費標準為480 元/h 計算，單次試驗可節約工作時間60 h，節約檢測費用28 800 元。單次試驗可節約總費用約28 980 元。

4 結論

1）從夾持裝置、試驗頻率、試樣樣式、試樣表面狀態以及試驗機夾具同軸度5 個方面，對抽油桿疲勞性能試驗影響因素進行分析。

2）設計三瓣式夾具以及啞鈴型試樣，經過試驗驗證，可有效避免應力集中問題，大幅提高試驗成功率，降低實驗人員工作強度，節約工作時間。

3）以直徑22 mm 抽油桿為例，單次試驗可節約費用約28 980元。