抽油桿斷裂原因

陳小琴, 杜志杰, 李 歡

(1.中海油田服務股份有限公司, 天津 300459; 2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司, 西安 710065)

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,其服役過程中的安全穩定性對油氣資源開采至關重要。抽油桿柱的長度可達2 000 m,其由長度為8 m、直徑為28 mm的獨立桿組成,這些桿通過螺紋聯軸器相互連接,抽油桿是兩端都有桿頭的圓柱形桿,其橫截面的最大拉伸應力發生在柱塞向上運動過程中,主要取決于柱塞的深度[1]。在提升和下降過程中,抽油桿受拉-壓疲勞應力和采出液腐蝕的綜合作用,且服役工況復雜,因此抽油桿失效事故頻發,給油田造成巨大的經濟損失[2]。某油田采用深抽工藝后,頻繁發生抽油桿斷裂現象,嚴重影響了油田的安全生產。

該斷裂抽油桿的材料為35CrMo鋼,外徑為25 mm,長度為8 m,抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位。該抽油桿入井運行182 d后發生斷裂事故,生產過程中最大載荷為125.2 kN,交變載荷為70.7 kN。筆者采用一系列理化檢驗方法對該抽油桿斷裂的原因進行分析,并提出預防措施,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂抽油桿的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：該抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位,斷口起源于外壁腐蝕坑,呈應力臺階特征;源區對應的外壁腐蝕程度較嚴重;70%斷面較平坦,為斷口擴展區,該區域呈貝紋線宏觀特征;斷口最終斷裂區呈45°剪切唇特征,符合腐蝕疲勞的典型特征。

圖1 斷裂抽油桿的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂抽油桿的桿體上取樣,用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：該斷裂抽油桿的材料可能為35CrMo鋼。

表1 斷裂抽油桿的化學成分分析結果 %

1.3 力學性能測試

在斷裂抽油桿上取樣,對試樣進行力學性能測試。其中拉伸試驗采用全截面棒狀試樣,試驗溫度為室溫, 拉伸試驗結果如表2所示。沖擊試驗采用縱向夏比沖擊試樣,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(長度×寬度×高度),開U型缺口,試驗溫度為21 ℃,沖擊試驗結果如表3所示。由表2,3可知：該抽油桿的拉伸性能和沖擊性能均滿足標準要求,但其抗拉強度接近標準要求的上限,屈服強度比較高,斷后伸長率接近標準要求的下限。

表2 斷裂抽油桿的拉伸試驗結果

在斷裂抽油桿上取樣,對試樣進行硬度測試,試樣高度為20 mm,測試結果如表4所示。由表4可知：該抽油桿的硬度分布較為均勻,為37.5～38.5 HRC。

1.4 金相檢驗

在斷裂抽油桿上切取試樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖2所示。由圖2可知：抽油桿心部組織為回火索氏體;斷口外壁有腐蝕坑和脫碳現象,脫碳層深度約為0.05 mm,部分腐蝕坑底部存在裂紋。

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在斷裂抽油桿斷口處取樣,將試樣清洗后在SEM下觀察其微觀形貌,結果如圖3所示。由圖3可知：根據斷口紋路的收斂方向,可以確定斷裂起源于外壁腐蝕坑,源區存在應力臺階,擴展區存在疲勞輝紋花樣。

圖3 斷口SEM形貌

對抽油桿斷口表面進行能譜分析,分析位置如圖4所示,分析結果如表5所示。由表5可知：斷口表面Fe、O和S等元素的含量較高,表明斷口表面覆蓋有Fe的氧化物和硫化物等腐蝕產物。

圖4 斷口能譜分析位置示意

2 綜合分析

研究表明,該類抽油桿易發生腐蝕疲勞失效。抽油桿斷裂分為兩個階段,前期的硫化氫應力腐蝕開裂導致抽油桿強度降低,并產生應力集中,后期在交變載荷作用下,抽油桿發生疲勞斷裂[3]。抽油桿斷裂的主要原因為應力腐蝕開裂引起的腐蝕疲勞斷裂[4]。在井液的腐蝕的作用下,抽油桿表面保護層(防銹漆、噴丸層等)破壞處首先發生腐蝕,并形成深淺不一的腐蝕坑,在拉-拉交變載荷的作用下,從最深的腐蝕坑底產生裂紋并擴展,最終導致抽油桿發生斷裂[5]。

該抽油桿斷裂于外螺紋接頭過渡圓弧部位,斷口起源于外壁腐蝕坑,源區有應力臺階;擴展區較平坦,有貝紋線特征,微觀特征為疲勞輝紋;最終斷裂區呈45°剪切唇特征;斷口表面覆蓋有腐蝕產物。說明該抽油桿呈腐蝕疲勞斷裂特征。

該抽油桿的拉伸性能和沖擊性能標準要求,全截面硬度分布均勻,因此可排除抽油桿材料的問題。根據現場調研,該油田的油井供液能力下降,因此改用深抽工藝,該工藝推廣后,抽油桿斷裂頻次增加,說明抽油桿斷裂與深抽工藝有關。深抽工藝使得泵掛加深,抽油桿柱變長,導致上沖程中作用在懸點上的抽油桿載荷、作用在柱塞上的液柱載荷、懸點最大慣性載荷、最大摩擦載荷和振動載荷等增大,進而導致抽油機懸點的最大載荷增大,即井口抽油桿的拉伸載荷增大,增大了抽油桿的平均應力。根據疲勞理論,平均應力增大會縮短構件的疲勞壽命。

由能譜分析結果可知：斷口表面S元素的含量較高,說明斷口表面覆蓋含有Fe元素的硫化物,結合現場調研發現抽油桿的服役環境中硫化氫含量較高,推測抽油桿發生了硫化氫腐蝕[6]。

該抽油桿外壁腐蝕嚴重,存在腐蝕坑,底部存在微裂紋,腐蝕坑部位存在較大的應力集中,導致疲勞裂紋萌生的時間縮短,降低了抽油桿的抗疲勞性能。

抽油桿鐓粗法蘭附近桿體處的主應力最大,表明該處最容易發生疲勞破壞,卸載槽肩和鐓粗法蘭區域相對安全,因為其橫截面積大,產生應力集中的可能性較小。該抽油桿斷口位于外螺紋端部接頭過渡圓弧部位,斷裂位置為抽油桿的主應力最大部位,易發生疲勞破壞。

根據統計數據顯示,交變載荷大于45 kN的抽油桿斷裂占比為64.1%,泵深大于2 800 m的抽油桿斷裂占比為76.9%,沉沒度小于500 m的抽油桿斷裂占比為65.1%。因此可以看出,交變載荷、泵深和沉沒度是影響油井抽油桿斷裂的重要因素。

隨著抽油泵沉沒度的增加,沉沒壓力就會增大,上沖程中吸入壓力作用在活塞上產生的載荷增大,可相應地降低抽油機懸點最大載荷;但增加沉沒度就會使泵深增加,抽油桿柱長度也隨之增加,導致懸點最大載荷增大。因此,應找到兩者的最優控制點,使得抽油機懸點最大載荷達到最小。

從交變載荷頻率考慮,抽油桿在一定應力幅值下工作時的疲勞壽命是一定的,降低交變載荷的頻率,并使用長沖程、慢沖次抽油機,可有效延長抽油桿的使用時間。因此,建議采用長沖程抽油機進行采油,同時降低沖次,延長總服役時間。

該抽油桿外壁存在輕微脫碳現象,脫碳層深度約為0.05 mm,脫碳層會對其抗疲勞性能產生一定的影響,因為脫碳層的滲碳體數量較少,其強度和硬度較低,脫碳層處更容易萌生疲勞裂紋,導致材料的抗疲勞性能下降。建議對熱處理或軋制工藝進行改進,避免抽油桿在制造過程中發生表面脫碳現象。

該抽油桿的材料為35CrMo鋼。研究表明,35CrMo鋼在含硫化氫溶液中具有明顯的局部陽極溶解現象,在點蝕坑內部會產生應力集中,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,建議將抽油桿材料由35CrMo鋼改為30CrMo鋼,適當增加Cr元素和Mo元素的含量,可補償強度損失,使材料的耐腐蝕、應力腐蝕能力增強。也可通過增大抽油桿直徑的方式來減小抽油桿承受的應力。

3 結論及建議

該抽油桿斷裂性質為腐蝕疲勞,斷裂的主要原因為：油井改用深抽工藝后,抽油桿承受了較大的拉伸載荷,增大了抽油桿的平均應力,縮短了抽油桿的疲勞壽命;在抽油過程中,對抽油桿進行上提下壓,為抽油桿腐蝕疲勞提供了交變載荷;油井內含有硫化氫,對抽油桿外壁產生腐蝕作用,導致抽油桿外壁產生腐蝕坑,腐蝕坑底部應力集中程度較大,在交變載荷的作用下,腐蝕坑底部產生微裂紋,微裂紋不斷擴展,最終導致抽油桿斷裂。

建議適當降低抽油桿承受的應力,選用抗硫抽油桿,并對介質進行除硫處理。對熱處理或軋制工藝進行改進,避免抽油桿在制造過程中發生表面脫碳現象。