抽油桿常見斷裂失效情況分析

摘要：抽油桿是抽油裝置系統(tǒng)的重要組成部分，它在地上連接抽油機(jī)，在井下連接抽油泵，起傳遞動力的作用。斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法，記錄了斷裂的產(chǎn)生原因、擴(kuò)散途徑、擴(kuò)散過程及影響裂紋擴(kuò)散的各種內(nèi)外因素。通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進(jìn)構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：抽油桿；抽油裝置系統(tǒng)；斷裂失效；斷口分析；采油裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE933 文章編號：1009-2374（2015）10-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0897

1 抽油桿的工作原理

抽油桿是采油裝置的一個重要組成部分，它在地上連接抽油機(jī)，在井下連接抽油泵，起傳遞動力的作用。抽油桿分實心抽油桿和空心抽油桿兩種，實心抽油桿國際上一般采用長度為：7.62m，即25ft；9.14m，即30ft；8m左右，而空心抽油桿通常采用8m長度。

抽油桿是抽油機(jī)-柱塞抽油泵舉升系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。在石油開采過程中，由于油液含水量不斷變化，油液中腐蝕介質(zhì)與日俱增，經(jīng)常會因發(fā)生抽油桿斷脫等事故而停產(chǎn)。

對于螺桿泵專用驅(qū)動抽油桿來說，它不僅需要承擔(dān)驅(qū)動抽油桿的自身重量，同時要承載下層油液通過螺桿泵轉(zhuǎn)子傳遞來的油液壓力，還要承擔(dān)上方電機(jī)給予的扭矩。因此，抽油桿是抽油裝置中受力最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

2 斷裂發(fā)生的情況及種類

2.1 斷裂的類型

根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性形變量的大小，可分為塑性斷裂和脆性斷裂。

塑性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。

脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。

塑性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴(kuò)散的情況不同。

2.2 斷裂的方式

根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。

正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向垂直，一般為脆性斷裂，也可能為韌性斷裂。

切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45°，一般為韌性斷裂。

2.3 斷裂的形式

裂紋擴(kuò)散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。

穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，一般韌性斷裂也可為脆性斷裂。

晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，沿晶粒邊緣開裂，屬脆性斷裂。

2.4 斷口分析

斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因、擴(kuò)散途徑，擴(kuò)散過程及影響裂紋擴(kuò)散的各種因素，所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進(jìn)構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據(jù)。在斷口的分析中，各種斷裂機(jī)制的提出主要是以斷口的微觀形態(tài)為基礎(chǔ)，并根據(jù)斷裂性質(zhì)、斷裂方式以及同環(huán)境和時間因素的密切相關(guān)性而加以分類。

2.5 宏觀斷口分析

斷口三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇。

纖維區(qū)：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。

放射區(qū)：宏觀特征是表面呈結(jié)晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴(kuò)散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。

剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。

2.6 微觀斷口分析

微觀斷口分析主要采用高倍電子顯微鏡對斷口進(jìn)行分析，在顯微鏡下，通過斷口所呈現(xiàn)的不規(guī)則形狀來判定斷口形成機(jī)理，并把斷口的形貌分析同斷裂力學(xué)指標(biāo)聯(lián)系起來，系統(tǒng)地建立了斷裂機(jī)制圖，通過適當(dāng)?shù)臄嗔褏?shù)、力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)作為坐標(biāo)系，用它來確立各種可能出現(xiàn)的微觀斷裂機(jī)制的區(qū)域，以便發(fā)現(xiàn)各類金屬斷裂的普遍規(guī)律，這對解決一些工程斷裂問題十分有用。斷裂機(jī)制圖對工程設(shè)計、材料選擇、使用條件的限制以及失效分析等都能提供十分重要的指導(dǎo)性意見和數(shù)據(jù)資料。

3 斷裂在抽油桿使用過程中易出現(xiàn)的情況

在抽油桿的使用過程中必然會出現(xiàn)這樣或那樣的井況不穩(wěn)定等因素，這些因素將直接導(dǎo)致抽油桿在桿體處或連接接頭處發(fā)生斷裂。

3.1 原材料原因?qū)е碌臄嗔?/p>

抽油桿在生產(chǎn)過程中存在誤檢、漏檢、未檢出，致使材質(zhì)存在問題的原材料投入到生產(chǎn)線中，使成品抽油桿達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的許用應(yīng)力值，當(dāng)抽油桿下放到井中后，無法承載設(shè)計要求而發(fā)生斷裂。例如：桿體軋制過程中內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋源，經(jīng)過熱處理后，極易使微裂紋源長大，擴(kuò)展并開裂，直接導(dǎo)致井下事故的發(fā)生；桿體存在褶皮，使內(nèi)表面徑向截面積變小，導(dǎo)致桿體所受應(yīng)力不均勻，局部應(yīng)力過大，超出桿體局部承載能力最終產(chǎn)生斷裂。

3.2 抽油泵卡泵

抽油泵在井下由于某種原因而無法完成沖程動作時，將會使抽油桿斷裂位置的上下部分發(fā)生向兩個方向的應(yīng)力施加，上部分在做下沖程過程中有向下的應(yīng)力，而下部分由于卡泵原因無法繼續(xù)向下做下沖程，使斷裂位置發(fā)生彎曲，產(chǎn)生彎矩，在斷裂位置彎矩超過允許值。對于螺桿泵來說，在卡泵位置發(fā)生螺旋卡死，而使轉(zhuǎn)子不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而地上電機(jī)仍然在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)扭矩的施加，使驅(qū)動抽油桿在斷裂位置發(fā)生上下兩部分扭矩方向相反而發(fā)生斷裂。此兩種斷裂多為塑性斷裂。

3.3 抽油機(jī)重新啟動

每當(dāng)抽油機(jī)重新啟動時都會產(chǎn)生拉應(yīng)力或扭矩的峰值，這個峰值會比正常作業(yè)穩(wěn)定值高2～3倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)品許用應(yīng)力值及扭矩值而發(fā)生抽油桿斷裂，此種斷裂多為脆性斷裂。

3.4 井斜

在進(jìn)行鉆井過程中，由于地層的限制，必然會出現(xiàn)某一深度無法使井嚴(yán)格地垂直于地面，即在某一深度會與垂直線存在一個角度，這一深度即為拐點(diǎn)，在此處抽油桿將會發(fā)生彎曲，此時便使抽油桿在不斷地承受一面為拉應(yīng)力，而另一面承受壓應(yīng)力，在拉壓應(yīng)力交匯處將會產(chǎn)生一個剪應(yīng)力，在這種情況下，抽油桿多在這個交匯處發(fā)生斷裂。斷口多為由于長期受交變載荷作用而產(chǎn)生的疲勞斷口。在宏觀斷口表面可以看到疲勞斷口的特征—疲勞輝紋。

3.5 腐蝕

近年來，由于石油開采技術(shù)的提高，在石油開采過程中會添加一些化學(xué)藥劑，同時井下油液中也會含有某些腐蝕介質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)對于抽油桿具有一定的傷害，對抽油桿具有腐蝕作用，明顯的特征為桿體表面可以看到腐蝕后產(chǎn)生的凹坑。由于抽油桿在工作過程中必然受拉應(yīng)力作用，在拉應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)共同作用下，產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕斷裂。且應(yīng)力腐蝕斷裂速率為各種斷裂中最快的斷裂。

3.6 偏磨

當(dāng)井的斜度超過一定角度時，抽油桿在桿體或接箍部分與油管壁發(fā)生磨擦，使局部應(yīng)力值增大，加大了抽油桿的負(fù)載，抽油桿的承載超出許用應(yīng)力值而發(fā)生斷裂。明顯能看到發(fā)生偏磨的部分比其他部分光亮。

4 結(jié)語

由于抽油桿在采油裝置中在地上連接抽油機(jī)，在井下連接抽油泵的重要地位，為避免抽油桿頻繁發(fā)生斷裂，得出以下結(jié)論：（1）嚴(yán)控原材料的把關(guān)，杜絕存在問題的原材料進(jìn)入生產(chǎn)序；（2）開發(fā)新型抽油桿，提高抽油桿的抗腐蝕能力；（3）研發(fā)新工藝，提高抽油桿的抗疲勞強(qiáng)度；（4）在斜度比較大的井中采用短節(jié)連接的方式，減少抽油桿所承受的交變載荷。

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作者簡介：張強(qiáng)（1984-），男，黑龍江哈爾濱人，渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)械加工。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）