30CrMoA抽油桿鋼端部開裂原因分析

陳海軍

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部)

抽油桿是有桿泵采油裝置的重要組成部分。隨著采油條件的變化，油井深度不斷增加，對抽油桿的強度要求越來越高，現(xiàn)代油井抽油桿更多采用用于重超重負荷油井的H級桿。30CrMoA合金鋼由于調(diào)質(zhì)后能獲得較高的強度和沖擊韌性，綜合機械性能良好，因此常被用來制作H級抽油桿，也是目前應用較廣的抽油桿鋼牌號。抽油桿鋼在加工抽油桿時通常需要先校直，特別是對一些自動模鍛的設備更需要保持桿體的平直。

某抽油桿制造企業(yè)在對Φ19mm，牌號30CrMoA的抽油桿鋼校直后發(fā)現(xiàn)個別桿端部開裂，開裂比例約為2%～3%。為了查明原因，規(guī)避風險，對抽油桿鋼取樣進行了檢測分析。

1 抽油桿鋼端部開裂形貌情況概述

觀察校直后的桿體，發(fā)現(xiàn)桿體表面均有螺旋紋且局部發(fā)亮有明顯的校直傷，傷痕較深。測量沒有出現(xiàn)桿體端部開裂的抽油桿鋼尺寸，發(fā)現(xiàn)端部5mm處直徑僅有18.4mm，有壓縮變形，端部10mm外桿體其他部位直徑均約為19.2mm，端頭校直時頭部有拉細現(xiàn)象。個別桿端部開裂或心部有裂紋，裂紋呈旋轉(zhuǎn)狀裂開，裂開部位表面有擠壓傷，局部壓扁，壓扁部位局部顏色發(fā)藍。典型缺陷形貌如圖1所示。

圖1 抽油桿鋼端部開裂形貌

見圖1，端部開裂的裂紋中間寬兩邊稍窄且有扭轉(zhuǎn)，大致呈“S”形。沿長度方向切取30mm，切取面沒有開裂，心部存在裂紋，裂紋保持中間寬，兩端窄；繼續(xù)切取50mm，切取面心部裂紋消失。對其它校直后端部開裂的抽油桿鋼隨機挑選5根，按照每100mm長度切斷檢查斷面情況，發(fā)現(xiàn)除端部首段有裂紋外，其他面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明開裂僅局限在端部。

切取端部開裂部位并沿裂紋斷面拋開，裂紋形貌見圖2。

圖2 抽油桿鋼端部開裂裂紋形貌

由圖2，左側(cè)尺寸稍小，基本為抽油桿原始尺寸大小；右側(cè)尺寸稍大，為開裂后尺寸擴張所致；裂紋面大部分呈銀灰金屬色，局部有銹蝕，右側(cè)靠近端頭部位局部發(fā)藍，有外傷，遠離端頭部位桿體未受外傷。

2 檢測和分析

2.1 化學成分檢測

對開裂桿桿體部位取樣，做化學成分分析，結(jié)果見表1。

表1 成分檢測情況 %

由表1可知，成分符合GB/T 26075-2019《抽油桿用圓鋼》中30CrMoA要求。

2.2 非金屬夾雜物檢測

對開裂桿桿體部位取樣進行非金屬夾雜物檢測，結(jié)果見表2。

表2 非金屬夾雜物檢測情況

由表2、圖3可知，非金屬夾雜物級別符合GB/T 26075-2019《抽油桿用圓鋼》中30CrMoA要求。

圖3 非金屬夾雜物

2.3 硬度檢測

對開裂桿端頭附近桿體做硬度檢測。校直后布氏硬度普遍為380HBW，硬度很高。對校直前的桿體做熱軋態(tài)硬度檢測，布氏硬度在220～245HBW。表明因校直壓力大，Φ19mm30CrMoA抽油桿鋼校直后表面產(chǎn)生了加工硬化。

2.4 開裂樣低倍檢測

對開裂樣斷口附近取樣做低倍檢測，依據(jù)GB/T 26075-2019《抽油桿用圓鋼》第5.5.1條規(guī)定，取樣試樣未發(fā)現(xiàn)有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮及白點”等低倍缺陷，低倍正常。

2.5 縱向高倍檢測

對圖1桿體由端部開裂后部截取長20mm樣件，心部殘存有裂紋。對樣品沿縱向拋開通過ZEISS AXIO SCOPE.A1 金相顯微鏡檢測，裂紋前端形貌見圖4。

照片a 照片b

由圖4可見，裂紋逐漸變窄變細向內(nèi)延伸，裂紋兩側(cè)未見夾雜，裂縫尖端周圍分布孔洞狀缺陷，孔洞內(nèi)沒有異物，可以排除夾雜物聚集導致開裂的可能性。

2.6 金相檢測

對桿體有校直傷的部位取樣制樣，用4%硝酸酒精腐蝕后對截面進行橫向組織檢測，見圖5。由圖5，試樣表面有冷加工流線，深度約50μm。表明校直壓力大表面產(chǎn)生了冷加工變形。

圖5 開裂試樣橫向組織

對未裂開部位截取試樣進行橫向組織檢測，見圖6。由圖6，裂紋內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)夾雜、脫碳，裂紋兩側(cè)組織與基體組織一致，組織均勻為鐵素體+少量珠光體+貝氏體，未發(fā)現(xiàn)其它異常組織。

圖6 未裂開部位截取試樣橫向組織

3 分析與討論

(1)對端部開裂的30CrMoA抽油桿鋼試樣的檢測結(jié)果表明，30CrMoA抽油桿鋼成分、夾雜物、低倍滿足GB/T 26075-2019《抽油桿用圓鋼》要求，而且開裂處也沒有夾雜物聚集。認為化學成分、夾雜物、低倍不是導致Φ19mm30CrMoA抽油桿鋼端部開裂的原因。

(2)校直后的桿體表面有螺旋紋，這是由于校直時校直輥與桿體的旋轉(zhuǎn)所致，是校直的正?，F(xiàn)象。但校直后的桿體表面有明顯的校直傷，傷痕較深；沒有出現(xiàn)桿體端部開裂的抽油桿鋼端頭測量尺寸變細，組織檢測有加工流線，這些現(xiàn)象均表明校直時壓力過大導致桿體受傷，而且頭尾受力更大。校直前桿體硬度在適宜冷加工的范圍內(nèi)，校直后30CrMoA抽油桿鋼表面硬度很高，如果再進行冷加工，很容易造成開裂。

(3)開裂部位拋開后裂紋面主體呈銀灰金屬色，表明校直時桿體沒有受熱過程；從開裂和裂紋的形貌看，裂紋呈旋轉(zhuǎn)狀裂開，這種形貌與校直紋的旋向相同。金相檢測表明，裂紋內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)夾雜、脫碳，裂紋兩側(cè)組織與基體組織一致，組織均勻為鐵素體+少量珠光體+貝氏體，沒有發(fā)現(xiàn)可能導致開裂的異常組織。對裂紋樣縱向拋光，裂紋兩側(cè)顏色均勻，未見高溫氧化色，也未見夾雜，表明該裂紋不是熱加工所致，裂紋發(fā)生于冷態(tài)條件下。裂縫尖端周圍分布孔洞狀缺陷，孔洞內(nèi)沒有異物，孔洞應當是裂紋與拋光面存在一定角度拋光后的殘存。裂開部位外表面有損傷，局部發(fā)藍；從圖4可見，裂紋局限在桿頭部位，這與桿體通長截取后觀察的結(jié)果一致。

結(jié)合表面和裂紋高倍形貌以及校直后硬度高達380HBW的情況，表明桿頭部位在校直時產(chǎn)生了加工硬化，而且加工硬化程度較高已不適宜再冷加工。此時如果再繼續(xù)冷加工后就容易產(chǎn)生開裂，端頭開裂部位局部發(fā)藍表明桿頭部位在校直時受到了較大的沖擊。

4 現(xiàn)場核實情況

根據(jù)對開裂樣的檢測，對生產(chǎn)現(xiàn)場進行了核實?，F(xiàn)場顯示：發(fā)生端部開裂的30CrMoA抽油桿鋼校直時在進入校直輥后，桿體發(fā)生了明顯的變形，桿體呈波浪狀，清楚地表明校直時壓力過大，引起桿體變形，桿頭產(chǎn)生加工硬化，隨后被下一道校直輥強制變形，多道次校直后會引起開裂。當校直到抽油桿鋼尾部時，尾部由于壓力過大先產(chǎn)生加工硬化，在由校直輥脫出時由于失去了校直輥的加持，必然會造成端頭與校直輥的撞擊，有幾組校直輥就會撞擊幾次。撞擊后引起開裂。開裂后由于校直扭轉(zhuǎn)的作用端頭開裂的裂紋擴張就形成了中間寬兩端窄并有一定旋向的裂紋形貌。

5 結(jié)論

根據(jù)檢測分析結(jié)果以及現(xiàn)場核實情況，得出以下結(jié)論：抽油桿鋼30CrMoA端部開裂是由于校直時壓力過大，桿體產(chǎn)生了較大變形，使得桿體表面產(chǎn)生了不利于繼續(xù)冷加工的加工硬化，桿頭進入校直輥后因加工硬化和后續(xù)校直強制變形、桿尾出校直輥反復撞擊引起開裂，在隨后校直時桿體旋轉(zhuǎn)造成開裂裂紋變形形成了中間寬兩端窄并有一定旋向的裂紋形貌特征。30CrMoA端部開裂與材料本身質(zhì)量無關，是校直不當造成的。

為避免30CrMoA 抽油桿鋼校直時端部開裂現(xiàn)象，建議適當降低校直壓力，減少桿體校直時的變形，降低出校直輥時的撞擊。