淺析抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素

胡博 周洋 伏林鈞

摘 要：抽油桿是石油開采三抽設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵部件，故其作用不容忽視，數(shù)量更是與日俱增。但在實際應(yīng)用中，往往因抽油桿柱發(fā)生斷脫而影響石油開采效率和效益，其中熱處理質(zhì)量對其疲勞失效有著較大影響。對此，本文對抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素進行了分析，并就其控制措施進行了探討。

關(guān)鍵詞：抽油桿柱；疲勞失效；熱處理因素

在石油開采過程中，抽油桿時常會因失效而影響作業(yè)進度，增加經(jīng)濟損失，其中疲勞、腐蝕、磨損是失效的常見形式。因此為進一步提高石油生產(chǎn)效率，改善提取原油的高效性，并減少不必要的資金支出，就必須對抽油桿柱疲勞失效的原因加以分析，尤其是其熱處理因素，以此尋求有效措施實現(xiàn)抽油桿的高效耐用，進而促進石油開采穩(wěn)步進行。

1.抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素

為了解熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的作用機理，在此以某采油廠的抽油桿斷桿為例，結(jié)合其斷裂部位、服役期限、循環(huán)周次以及生產(chǎn)泵型、動液面高、沖程長度、下泵深度、抽油桿柱等級、數(shù)量等相關(guān)情況，作了如下探究：

1.1.對斷桿荷載強度的分析

有時抽油桿柱承受荷載不對稱也會致使其出現(xiàn)疲勞失效，因此為進一步驗證熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的影響，有必要對其荷載強度進行分析。即根據(jù)公式 和 計算其最大荷載和最小荷載，其中 、 、 分別代表液柱荷載、桿柱荷載和動荷載，代入相關(guān)數(shù)據(jù)后得到其最大應(yīng)力和最小應(yīng)力分別為156.9和40.5（MPa），最后得知應(yīng)力幅在允許范圍內(nèi)，故其其設(shè)計強度與相關(guān)要求相符。

1.2.對斷桿斷口情況的分析

觀察抽油桿斷口宏觀形貌發(fā)現(xiàn)（見圖1），該斷口平齊，無明顯的輝紋特征和塑性變形；裂紋從外螺紋根部開始，臺階明顯，且擴展方向與拉伸應(yīng)力的最大方向保持垂直狀態(tài)；同時2/3的抽油桿截面均為斷裂區(qū)，且其中結(jié)晶狀的剪切唇和放射區(qū)較為明顯，但并未觀測到纖維區(qū)，故該材料具有較差的韌性，并受到了較大的疲勞應(yīng)力[1]。隨后經(jīng)特殊處理后，對其微觀形貌也作了認真觀察和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其裂紋起源、擴展區(qū)以及斷裂區(qū)均較為平整，而斷裂機理主要為混合斷裂機構(gòu)，且伴有準解理的二次裂紋花樣，由此可以判斷，其的形成與氫脆、淬火不佳或回火過熱有關(guān)，進而導(dǎo)致鋼的韌性和塑性降低，而脆性得到了增強；同時位于螺紋根部的裂紋，應(yīng)該是由過熱導(dǎo)致的，如此一來，其會明顯降低材料性能，并縮短其使用壽命，若遇到動荷載，其影響會更為凸顯。同時在對抽油桿斷裂位置截取了合適的金相試樣（見圖2），經(jīng)顯微鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，其組織相對粗大，為正火態(tài)的鐵素體與珠光體，故韌性較差。此外還在其硬度檢測中得知，該抽油桿內(nèi)外具有不均勻的硬度。

圖1 斷口宏觀形貌 圖2 金相組織結(jié)構(gòu)

由上可知，抽油桿柱的疲勞失效與熱處理因素關(guān)系較大，概括的講，主要是因熱處理過程中的過熱現(xiàn)象對材料的晶粒分布產(chǎn)生了影響，以致于弱化了桿柱的塑性和韌性，導(dǎo)致其外螺紋根部由于應(yīng)力相對集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，并經(jīng)快速擴展后發(fā)生了準脆性疲勞斷裂失效。

2.抽油桿柱疲勞失效控制方法分析

2.1.規(guī)范熱處理工藝

鑒于抽油桿柱的熱處理工藝對其材料性能影響較大，故應(yīng)基于完善的熱處理制度規(guī)范工藝操作，以免因熱處理不當(dāng)降低抽油桿柱的塑性、韌性和使用壽命[2]。通常調(diào)質(zhì)鋼在完成熱加工后，必須借助預(yù)備熱處理工藝降低其硬度，以消除組織缺陷，便于切削加工；然后需要進行的是淬火與高溫回火等最終熱處理工藝，通常為防止出現(xiàn)熱處理缺陷，往往要求淬火具有較慢的冷卻速度，若其強度較高，則建議采用溫度較低的回火處理工藝。如在對40Cr合金鋼進行熱處理時，通常需要參考下述規(guī)范標準，退火工藝需要采用隨爐冷卻方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和120mim左右；正火工藝需要采用空冷方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和120mim左右；淬火工藝需要采用油冷方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和80mim左右；而回火工藝則有低溫、中溫和高溫之分，雖均采用空冷方式，但選用的具體溫度和保溫時間不盡相同[3]。完成熱處理操作后，我們應(yīng)借助洛氏硬度結(jié)合金相觀察（制備-磨光-機械拋光-顯露組織-顯微觀察），對熱處理后的材料性能進行測試。若存在缺陷，則要采取合理有效的熱處理修復(fù)工藝加以補救，以此最大程度的降低熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的影響。

2.2.注重科學(xué)使用和管理

抽油桿柱的疲勞失效控制僅靠強化熱處理工藝管理是不夠的，畢竟其在使用過程中還會受到其他因素的干擾，因此學(xué)會科學(xué)使用，加強日常管理也十分關(guān)鍵。這就要求我們合理分析其涵蓋動載力、靜載力、摩擦力在內(nèi)的受力情況，并根據(jù)有無初始裂紋狀態(tài)下的疲勞壽命計算公式合理估算抽油桿柱的理論壽命，在此基礎(chǔ)上采取針對性措施以期最大限度的避免抽油桿柱出現(xiàn)疲勞失效[4]。如切實做大安全運輸、規(guī)范存儲，投入使用前仔細清潔其接箍和螺紋，并施加一定的預(yù)應(yīng)力，以免其發(fā)生彎曲和腐蝕；針對具有一定傾斜度的油井，建議采用連續(xù)桿，以便降低脫扣事故；若油井泵掛較深或腐蝕性較強，建議選用K級桿，并結(jié)合其抗疲勞的實際強度值加以優(yōu)化組合，以此使其更為安全穩(wěn)定，防止出現(xiàn)斷裂事故；同時建立完善的抽油桿柱修復(fù)和回收制度，并通過定期檢測性能、循環(huán)周次統(tǒng)計、服役條件分析、使用壽命估算等，予以及時維修和更換，以此降低因抽油桿疲勞失效帶來的不利影響。

結(jié)束語：

總之，抽油桿柱出現(xiàn)疲勞失效在石油開采過程中時有發(fā)生，其中熱處理不當(dāng)會影響其晶粒分布，進而提高桿柱的脆性引發(fā)疲勞失效。因此要想延緩其疲勞失效的時間，我們不僅要有效控制其熱處理工藝，也要對其受力情況和疲勞壽命加以分析，以此加強管理和維護，促進其工作效率的提高和使用壽命的延長。

參考文獻：

[1] 單丙娟，李其.抽油桿的疲勞失效及疲勞壽命分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（12）.

[2] 周瑞芬.抽油機井抽油桿失效問題的損傷力學(xué)研究[D].東北石油大學(xué)，2011（05）.

[3] 姚紅星，柳春圖.抽油桿裂紋擴展的實驗研究和剩余疲勞壽命的預(yù)測[J].機械強度，2010（23）.

[4] 陳淑艷.抽油桿的疲勞失效分析與控制[J].中國西部科技，2010（09）.

作者簡介：

胡博（1987-）男，漢，天津大港人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，材料科學(xué)與工程方向。

周洋（1985-）男，漢，湖南常德人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，機械制造方向

伏林鈞（1984-）男，漢，四川廣元人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，機械制造方向