摩擦焊抽油桿焊縫失效分析及改進措施

樊金俠，敬 俊，段敬黎，蔡 彪，趙春喜，郎 帆

（1.渤海石油裝備新世紀機械制造有限公司，天津300280；2.西南石油大學機電工程學院，成都610500；3.中石油冀東油田公司油建公司，河北唐山063200；4.中石油管道工程天津濱海分公司，天津300280） ①

摩擦焊抽油桿焊縫失效分析及改進措施

樊金俠1，敬 俊2，段敬黎1，蔡 彪3，趙春喜4，郎 帆1

（1.渤海石油裝備新世紀機械制造有限公司，天津300280；2.西南石油大學機電工程學院，成都610500；3.中石油冀東油田公司油建公司，河北唐山063200；4.中石油管道工程天津濱海分公司，天津300280）①

摩擦焊抽油桿在加工過程中由于受熱循環作用導致材料軟化程度不均勻等因素的影響，使得抽油桿焊縫抗疲勞性能遠不及桿體。從摩擦焊原理出發，通過對摩擦焊抽油桿進行現場事故分析和疲勞試驗，找出摩擦焊抽油桿焊縫失效的主要原因，提出了改善抽油桿焊縫性能的工藝措施。

摩擦焊；抽油桿；失效分析；工藝改進

近年來，隨著油田開發過程中采出程度的不斷提高，對抽油桿工作性能的要求也日益提高。摩擦焊技術作為目前抽油桿的主流加工工藝，已經在國內外石油機械制造業得到了廣泛應用。我國于20世紀80年代研制出第1臺大截面1 200kN石油鉆桿摩擦焊機，提高了焊接式抽油桿的疲勞強度和可靠性。

由于在焊接過程中不同部位的焊縫金屬經歷了不同的熱機過程，過熱或塑性材料流動不足都會導致焊縫缺陷的形成。因此，應對摩擦焊抽油桿焊縫進行失效分析及工藝改進，以提高摩擦焊抽油桿焊縫性能。

1 摩擦焊抽油桿焊接原理及焊縫性能

1.1 焊接原理

摩擦焊接是焊接體通過摩擦產生能量，溫度升高但沒有達到熔點，即金屬是在熱塑性狀態下實現的類鍛態固相連接［1］。抽油桿在壓力作用下，通過桿體端面與接頭端面摩擦使其附近溫度升高，使材料的變形抗力降低，塑性提高，界面氧化膜破碎，進而發生塑性流變，通過界面的分子擴散和再結晶而實現固態焊接。焊接過程歷經機械能轉化為熱能、材料塑性變形、熱塑性下的鍛壓力、分子之間擴散再結晶4個過程。

1.2 焊縫性能

通過對抽油桿焊縫區金相組織的觀察，發現焊縫區雖然出現了原子的相互擴散，但是金屬流線全部斷開（如圖1～2），因此造成焊縫區沖擊韌度降低，塑性幾乎為零。

圖1 焊縫纖維走向

圖2 焊縫橫切面

在實際生產中，摩擦焊工藝由于有熱量產生和傳導，在焊縫兩側產生熱影響區，因此在這個區域內會出現組織、應力和性能不均勻現象，并形成脆性及硬度低谷和硬度峰區域，該區域相對于桿體，力學性能和耐腐蝕性較差［2］，在使用過程中疲勞斷裂幾率較高。

1.3 影響焊縫抗疲勞性能的因素

1） 含碳量和合金元素夾雜。

2） 顯微組織。屈氏體（抗斷裂）＞馬氏體（脆性）＞索氏體（抗斷裂）。

3） 應力集中。由于疲勞裂紋總是出現在應力集中處，應力集中越嚴重，疲勞強度下降越多。

這類詞在現代漢語中被稱為“離合詞”，離合詞在現代漢語中為數不多，因為許多詞是不能插入其他成分的?！癆了個B”就相當于在離合詞中間插入了動量成分。然而，在網絡用語中，許多網絡詞語或日常用語，依靠于“A了個B”這一個能產性非常強的成詞結構格式，產生了大量的網絡新詞。如“不勒個是吧”“果了個然”“善了個哉”“喵了個咪”等等。

4） 試件尺寸。尺寸越大，缺陷越多。

5） 表面加工。疲勞裂紋通常從零件表面開始產生，表面粗糙度越低，疲勞強度越高。

6） 工作溫度。溫度升高，疲勞強度降低，摩擦焊抽油桿焊縫屬于正火狀態，焊縫組織為珠光體（如圖3），較桿體的回火索式體（如圖4）抗疲勞性能差［3］。

圖3 焊縫珠光體

圖4 抽油桿桿體索氏體

1.4 焊接接頭

抽油桿焊接接頭主要包括焊縫和熱影響區。熱影響區受熱循環作用出現材料軟化程度不均勻和硬度低谷，金屬流線方向發生改變，即晶粒與晶粒之間產生一定數量的孔穴和位錯；產生形變應力。二者是導致塑性和韌性大幅下降的主要原因。

從組織成分上，焊接接頭在焊接過程中包括淬火區、部分淬火區、正火區、不完全正火區和高溫回火區。這些不同組織區的存在導致該區域出現應力梯度，使焊縫及焊縫熱影響區成為整個桿體的薄弱環節，易產生疲勞斷裂［4］。

2 抽油桿受力情況

3 現場事故分析

抽油桿的主要失效形式是疲勞斷裂，而焊縫又是斷裂發生的主要部位。某井場使用的抽油桿摩擦焊斷口如圖5～6。

圖5 某井場25mm實心抽油桿摩擦焊斷口形貌

圖6 某井場38mm空心抽油桿摩擦焊斷口形貌

分析發現，圖5的斷口形貌表現出在軋制過程中非金屬元素形成了沿軸向的偏聚區，桿柱原材料內部存在缺陷［7］；在焊接過程中，原材料缺陷區的非金屬元素沿徑向擴散，在焊接面形成1層氧化膜，直接影響與桿體的焊接，使焊縫的疲勞壽命降低，導致了焊縫的早期失效。圖6的斷口宏觀呈臺階狀，臺階上端口比較平坦，表明了腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展過程，是腐蝕疲勞斷裂的重要特征。

4 疲勞試驗

由于工件的工作應力低于材料的屈服強度，長時間在循環載荷作用下會發生疲勞失效。在交變載荷下工件承受的循環應力σmax和疲勞斷裂循環周次N（又稱為疲勞壽命）之間的關系通常用疲勞試驗來描述。如圖7，σmax越大，N越??；反之N越大。工程上規定，當N＞107即S－N疲勞曲線出現水平時，就認為不會疲勞破壞。

圖7 S－N疲勞曲線

以H級22mm摩擦焊實心桿抽油桿為對象進行疲勞試驗。試驗靜載荷85kN，動載荷69kN，應力比R＝0.1。試驗結果表明，摩擦焊抽油桿很難達到N＞107的疲勞斷裂循環周次而不破壞，且最先發生破壞的部分主要為焊縫區。

5 改進措施

1） 采用新的材料提高抽油桿力學性能。例如，在材料中添加稀土元素，可大幅提高金屬的抗疲勞性能，延長使用壽命。

2） 提高摩擦焊設備精度，保證桿體和接頭焊接的同軸度。由于焊接時越靠近抽油桿心部運動線速度越小，因此要保證抽油桿桿體和接頭的硬度相同。

3） 為避免焊縫產生未融合區，應嚴格控制焊縫回火工序，消除焊縫出現應力集中。

4） 嚴格控制抽油桿桿體加工質量，盡量不損傷桿體表面，并對其進行表面處理，減小銹蝕損傷。

5） 根據實際井況采用不同的抽油桿柱設計，避免出現薄弱環節。

6 結論

1） 抽油桿原材料由于在軋制過程中非金屬元素產生了沿軸向的偏聚區和焊接過程中受熱循環作用的影響，導致熱影響區域出現應力梯度，是導致焊縫疲勞壽命降低的重要因素。

2） 疲勞試驗表明，摩擦焊抽油桿的疲勞斷裂循環周次N＜107，且焊縫區通常首先發生疲勞破壞。

3） 本文提出的原材料生產和焊接加工工藝改進措施有助于提高抽油桿疲勞壽命。

［1］ 宋 輝.摩擦焊在石油機械制造業中的應用［J］.科技信息，2007（28）：356.

［2］ 齊建軍.抽油桿鋼組織的轉變分析與改進［J］.河北冶金，2006（1）：52－53.

［3］ 朱張校.工程材料［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［4］ 李景文.抽油桿缺陷形式綜述［J］.石油機械，1988，16（22）：42－46.

［5］ 高振國，張國紅，胡茂軍，等.抽油桿斷裂原因分析及對策［J］.黑龍江科技信息，2010（27）：13.

［6］ 陳 浩，王長江.安裝助抽減載裝置的多級抽油桿力學行為分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：36－41.

［7］ 段敬黎.抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素分析［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：54－56.

Analysis and Improvement of the Weld Failure for Sucker Rod of Friction Welding

FAN Jin－xia1，JING Jun2，DUAN Jing－li1，CAI Biao3，ZHAO Chun－xi4，LANG Fan1
（1.Bohai Equipment New Century Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin300280，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；3.Oilfield Construct Company，Jidong Oilfield Company of China Petroleum，Tangshan063200，China；4.CNPC Pipeline Engineering Binhai Tianjin Branch，Tianjin300280，China）

During the process of friction welding to the sucker rod，the material in heat－affected will be melted in different ratio.The anti－fatigue performance of the weld is not similar as the body，to the sucker rod.Basing on the principle of friction welding，the fatigue test and the discussion about the accidents are made to it in this paper.The main causes to the weld of sucker rods which lead to lose their abilities are concluded and recommend the improvement measures to the production.

friction welding；sucker rod；failure analysis；improvement measures

TE933.206

B

2011－04－25

樊金俠（1981－），女，河北唐山人，工程師，2005年畢業于長江大學機械設計及其自動化，目前從事機加工方面的工作。