30CrMoA抽油桿斷裂原因分析

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(西安三維應力工程技術有限公司 陜西 西安 710061)

·失效分析與預防·

30CrMoA抽油桿斷裂原因分析

王軍，劉西西，徐藹彥

(西安三維應力工程技術有限公司 陜西 西安 710061)

通過幾何尺寸測量、化學成分分析、力學性能測試、顯微組織及斷口分析等，對抽油桿的斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明：抽油桿的化學成分、力學性能均符合相關標準要求，顯微組織、非金屬夾雜物、晶粒度均達到了標準要求；抽油桿失效形式為硫化氫應力腐蝕導致的早期疲勞斷裂。在含H2S、Cl﹣等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，建議采用表面噴涂或電鍍防腐抽油桿。

30CrMoA；抽油桿；疲勞斷裂；應力腐蝕

0 引 言

目前在多種采油方式中，機械采油占比最高，尤其是有桿泵機械采油。對于有桿泵來說，抽油桿柱作為地面抽油機和井下抽油泵的連接設備，在三抽設備中既是一個重要部位，也是一個薄弱環(huán)節(jié)[1-4]。隨著采油年限延長，下泵深度的增加，抽油桿桿柱斷裂成為影響油田生產(chǎn)的主要因素，也大大加重了油井的維護費用[5-7]。

某井抽油桿2016年10月12日首次入井，2016年12月11日發(fā)生斷桿事故，斷裂位置1 962 m，運行時間45天。桿斷前泵掛2 000 m，動液面1 247 m，沉沒度753 m，工作制度為7.3 m×2.5 n/min，最大載荷140.3 kN，最小荷載45.4 kN，交變荷載94.9 kN，含水8%，通過計量分離器檢測該井H2S濃度為6 314.47 mg/m3。

1 宏觀分析

1.1 斷口形貌分析

抽油桿從桿體斷裂，桿體表面呈全面腐蝕和潰瘍狀腐蝕形貌，如圖1所示。斷口呈脆性，分為裂紋源、慢速擴展區(qū)和快速擴展區(qū)3部分，裂紋起源于抽油桿表面腐蝕坑，裂紋慢速擴展區(qū)顏色較暗。觀察孔洞附近和點蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物呈分層特征，而且腐蝕產(chǎn)物本身較為疏松，有剝落現(xiàn)象。

1.2 幾何尺寸測量

對斷裂抽油桿的直徑進行測量，直徑范圍為19.06～19.38 mm，超過SY/T 5029-2013《抽油桿》標準上限(19 mm抽油桿直徑為18.64～19.25 mm)要求，應為腐蝕產(chǎn)物富集導致桿體增粗。

圖1 失效樣品形貌

2 理化性能試驗

2.1 化學成分分析

對桿體的化學成分進行分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，樣品的材質(zhì)為30CrMoA，且符合GB/T 26075-2010《抽油桿用圓鋼》標準要求。

2.2 硬度測試

對桿體的洛氏硬度進行測試，測試結(jié)果見表2。依據(jù)ASTM A370-2016《Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products》將HRC換算的抗拉強度為1 050 MPa，滿足SY/T 5029-2013標準要求。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 桿體洛氏硬度測試結(jié)果

2.3 顯微組織分析

對桿體顯微組織進行分析，金相組織如圖2所示。金相分析表明，桿體的組織為回火索氏體，晶粒度等級為9級。夾雜物形貌見如圖3所示，夾雜物等級見表3。從圖3和表3可見抽油桿夾雜物數(shù)量較少，且尺寸較小。

圖2 典型顯微組織形貌(500×)

圖3 典型夾雜物形貌(200×)

2.4 斷口掃描分析

斷口SEM形貌如圖4所示?？梢姡瑪嗫诒砻嬗心酄罨?，并有發(fā)紋(微裂紋)，腐蝕產(chǎn)物呈羽毛狀分布，符合應力腐蝕的斷口特征。

對樣品表面的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，樣品表面的腐蝕產(chǎn)物中硫含量很高，并含有一定數(shù)量的氯離子和氧。

表3 夾雜物評定結(jié)果

圖4 斷口SEM形貌

圖5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3 斷裂原因綜合分析

該抽油桿于2016年10月12日首次入井，2016年12月11日發(fā)生斷桿事故，運行時間僅45天。

1)材質(zhì)分析

失效的抽油桿材質(zhì)為30CrMoA，HRC均值為34，而通常含硫油氣井使用的材質(zhì)硬度應該≤22HRC，可見30CrMoA屬于H2S腐蝕敏感材料。

2)載荷分析

該井采用的工作制度為7.3 m×2.5 n/min，最大載荷為140.3 kN，最小荷載為45.4 kN，交變荷載為94.9 kN，沉沒度為753 m，斷裂位置為1 962 m，靠近抽油泵。雖然該處桿柱的拉伸載荷相對較小，但由于該井的供液能力差，沉沒度較低，泵的充滿程度較差，桿柱在下行時，柱塞與液面之間的液擊現(xiàn)象較為明顯，存在振動(甚至共振)載荷。此外桿柱下部桿柱受稠油、抽油泵、油管柱等的影響較大，受力較為復雜。本次斷口瞬斷區(qū)約占斷口截面的2/5，且環(huán)向占比很高，表明斷裂時的拉伸載荷并不低。

3)腐蝕介質(zhì)分析

該井通過計量分離器檢測到的H2S濃度為6 314.47 mg/m3，能譜分析證實腐蝕產(chǎn)物中硫含量很高，并含有一定數(shù)量的氯離子和氧。硫具有較高的活化能，它能破壞抽油桿表面金屬的鈍化膜，并加速抽油桿表面沉積物下的腐蝕，使得抽油桿在短時間產(chǎn)生大量腐蝕坑，腐蝕坑內(nèi)的局部含酸高，又加劇了腐蝕的進行。而氧是一種去極劑，腐蝕速度分別達到CO2和H2S腐蝕速度的80倍和400倍，隨濃度增加腐蝕速率先增后減(表面產(chǎn)生氧化物鈍化膜)。但實際生產(chǎn)過程中，由于多相流(固、液、氣態(tài))的沖刷作用、抽油桿上行和下行過程中與井液的摩擦作用及存在Cl﹣，抽油桿表面很難產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。在這里硫和氧是腐蝕源，Cl﹣是加速腐蝕的催化劑。本次管柱斷裂位置地層溫度約為55 ℃(按2.79 ℃/100m)，屬于H2S、O、Cl﹣綜合腐蝕比較適宜的溫度。

綜上所述，本次抽抽油桿的斷口特征及腐蝕產(chǎn)物能譜分析表明，抽油桿的失效形式為硫化氫應力腐蝕導致的早期疲勞斷裂。

4 結(jié)論及建議

1)30CrMoA的化學成分、換算的抗拉強度均符合相關標準要求，顯微組織、夾雜物、晶粒度也符合標準要求。

2)抽油桿失效形式為硫化氫應力腐蝕導致的早期疲勞斷裂。

3)在含H2S、Cl﹣等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，建議采用表面噴涂或電鍍防腐抽油桿。

[1] 張永強,李 輝,王 珂,等. 油井管桿偏磨失效分析[J]. 表面技術,2016,45(8):87-91.

[2] 尚水龍. 抽油桿失效機理及治理技術研究[D].西安：西安石油大學,2010.

[3] 靳永紅,李 璐,蘇 偉,等. 塔河油田稠油機抽井桿失效原因分析[J]. 中外能源,2015,(11):74-78.

[4] 梁 辰,鄧福成,李惠子,等. 抽油桿柱疲勞斷裂失效分析[J]. 石油礦場機械,2013,42(4):71-74.

[5] 白 強,龐 斌,林 偉,等. HL型抽油桿斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理,2016,41(7):187-191.

[6] 楊國鋒,彭緒勇,程春光,等. 抽油桿接箍失效分析[J]. 石油礦場機械,2011,40(8):54-57.

[7] 陳舉濤,袁良帥,王 軍,等. 抽油桿短期失效原因分析[J]. 石油工業(yè)技術監(jiān)督,2017,33(4):14-17.

FractureReasonAnalysisof30CrMoASuckerRod

WANGJun,LIUXixi,XUAiyan

(Xi′anServStressEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Xi′an,Shaanxi710061,China)

The failure reason of sucker rod was analyzed through geometric measure, chemical composition, mechanical properties test, and microstructure and fracture analysis. The results showed that the chemical composition and tensile strength of sucker rod meet the requirements of the relevant standards. The microstructure, nonmetallic inclusions and grain size were also up to the standard. It is concluded that the failure modes of sucker rod is early fatigue fracture caused by hydrogen sulfide stress corrosion. It is suggested that the sucker rods with surface coating or electroplating are used in environment with the corrosive medium such as H2S, Cl-.

30CrMoA; sucker rod; fatigue fracture; stress corrosion

王軍，男，1981年生，工程師，2009年畢業(yè)于西北工業(yè)大學材料加工工程專業(yè)，主要從事新型油井管開發(fā)及失效分析工作。E-mail：wjunshanxi@163.com

TE933.2

A

2096-0077(2017)06-0068-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.017

2017-04-24

葛明君)