抽油桿柱疲勞斷裂失效分析

梁辰，鄧福成，李惠子，龔寧，孫文國

（1.江漢油田采油工藝研究院，武漢 430000；2.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.江蘇油田試采一廠，江蘇揚州 225200；4.中海油能源發展股份有限公司監督監理技術公司，天津 300452；5.江漢機械研究所，湖北荊州 434000）①

隨著油田開發進入中后期，油井產能降低，產出液含水量高，需要電泵轉抽、加深泵掛等措施來維持油田的產量［1］。但是，在設計過程中存在很多問題，使抽油桿頻繁失效，影響油井產量，還浪費了大量的作業費用。據統計，抽油桿的失效形式主要有疲勞破壞、磨損破壞和腐蝕破壞［2－4］，尤其以疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂最為嚴重。本文從其典型疲勞斷裂出發，研究了抽油桿桿體的裂紋擴散機理和表面缺陷臨界尺寸，為在設計的初始階段做好預防與控制措施，達到提高產品性能，減少作業費用，穩定產量的目的。

1 典型失效形式

1.1 腐蝕疲勞斷裂

現場工作中的抽油桿均存在不同程度的腐蝕現象，嚴重腐蝕時發生腐蝕疲勞斷裂，如圖1～2所示，斷口表面存在明顯腐蝕坑，深度達1～3mm。分析原因：在生產液的腐蝕作用下，抽油桿的表面會產生局部腐蝕，從而形成蝕坑。當外力作用在這些蝕坑處時，會由于應力集中形成抽油桿的腐蝕疲勞裂紋源。在抽油桿工作過程中，由于上下沖程載荷變化，形成的裂紋源快速擴展，從而導致其早期斷裂失效。此外，由于抽油桿表面存在的凹坑和刻痕等缺陷處于腐蝕環境中，這樣更加快了腐蝕速度［5］。

圖1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂斷口微觀形貌

圖2 抽油桿腐蝕疲勞斷裂斷口形貌

1.2 疲勞斷裂

通過對現場10余件抽油桿的斷裂形貌統計分析，認為疲勞斷裂是其主要失效形式。典型的斷口宏觀形貌如圖3所示，即，斷口無明顯的塑性變形，裂紋擴展區因裂紋反復擠壓摩擦呈光滑海灘狀波紋，最后余下的截面發生脆性斷裂。從斷口宏觀形貌看來，斷口可分為3個區域：疲勞源區、裂紋擴展區、瞬斷區。

圖3 抽油桿疲勞斷裂斷口形貌

2 抽油桿桿體表面缺陷臨界尺寸

在生產過程中，抽油桿主要承受著沿軸向的拉伸或拉壓交變載荷。如前所述，抽油桿的斷裂主要是因為疲勞斷裂，而這種疲勞破壞也是因為在抽油桿表面存在局部裂紋缺陷或者存在局部腐蝕效應，這種裂紋缺陷的不斷擴展導致了抽油桿的疲勞破壞。評定抽油桿的表面缺陷有3個重要指標，即臨界尺寸、門檻尺寸和剩余壽命。抽油桿在疲勞破壞過程中，其缺陷由不擴展發展到緩慢擴展區時，此時抽油桿破壞處于缺陷的門檻尺寸；當缺陷發展到快速擴展的分界點時處于缺陷臨界尺寸［6］。因此，確定臨界尺寸和門檻尺寸對于在實際工作中控制抽油桿失效具有重要意義。現場中最常見的抽油桿類型為20CrMo 鋼D 級抽油桿，本文以此為例進行分析。

由于抽油桿中裂紋為張開型裂紋，在交變應力作用下，當裂紋頂端應力強度因子幅值，超過材料的腐蝕擴展門檻值Δkth時，張開型裂紋開始緩慢擴展［3］；當裂紋擴展至臨界狀態時，抽油桿上的臨界裂紋開始快速失穩致使裂紋所在截面迅速分離，產生斷裂，其斷裂后斷口如圖4所示。

圖4 抽油桿斷口

I型裂紋（張開型）的應力強度因子表達式為

式中：M為與裂紋組態，是與加載方式、試樣幾何有關的函數。

抽油桿局部表面裂紋最深點和表面點的應力強度因子的近似表達式［7］為

式中：r為抽油桿桿體半徑；a為部分橢圓表面裂紋最深點深度，即橢圓短半軸；c為橢圓長半軸；σ為抽油桿桿體橫截面上的平均拉應力。

2.1 桿體表面缺陷臨界尺寸

當應力強度因子k為0.33時，得到相對應的Goodman載荷如圖5所示。

圖5 不同規格抽油桿的Goodman載荷

在確定的Goodman載荷下，此類抽油桿桿體局部表面缺陷臨界尺寸參考值，如圖6所示。

圖6 Goodman載荷下桿體局部表面缺陷ac值

同樣也可得到桿體環形表面缺陷臨界尺寸，如表1。

表1 Goodman 載荷下桿體環形表面裂紋ac值

抽油桿過渡段表面缺陷區可分為局部表面缺陷和環形表面缺陷，并抽象規格化為部分橢圓表面裂紋和環形表面裂紋，用抽油桿過渡段表面缺陷應力強度因子表達式和雙判據臨界狀態方程，可以得到過渡段表面缺陷臨界尺寸。

2.2 抽油桿各部位表面缺陷門檻尺寸

如前所述，在交變應力作用下，當裂紋（缺陷的抽象）頂端應力強度因子幅值：

Δk＝kmax－kmin＜Δkth時，裂紋不擴展；當Δk＝kmax－kmin＞Δkth，同時kmax＜k1c裂紋緩慢擴展（疲勞擴展），其中kmax和kmin分別為最大和最小應力強度因子。

當Δk＝kmax－kmin＝Δkth時，裂紋處于不擴展和緩慢擴展臨界狀態，即為缺陷疲勞擴展門檻尺寸ath。

對于20CrMo鋼D 級抽油桿，在Goodman 載荷下，分別將應力強度因子表達式和20CrMo鋼D級抽油桿桿體的疲勞裂紋擴展門檻值Δkth聯合建立張開性裂紋頂端應力計算方程，即可得到桿體局部表面缺陷門檻尺寸參考值，如圖7所示。桿體環形表面缺陷門檻尺寸均小于0.1mm，即，在設計過程中的設計尺寸均不能小于該門檻值。

圖7 Goodman載荷下桿體局部表面缺陷門檻尺寸

3 結論

1）抽油桿受到交變載荷作業，如果存在缺陷易發生疲勞斷裂失效和腐蝕疲勞斷裂失效。

2）對于20CrMo鋼D 級抽油桿，在的Goodman載荷下，桿體環形表面缺陷門檻尺寸應小于0.1mm。在進行抽油桿柱設計時應嚴格執行門檻尺寸的限制，確保其使用壽命。

［1］付波.抽油桿脫扣技術分析及對策［J］.科技資訊，2007（19）：103.

［2］蔡俊杰..抽油桿斷脫原因分析［J］.西南石油學院學報，2004，26（1）：75－78.

［3］李國義，郝麗麗.李箐泉.抽油桿桿體表面裂紋應力強度因子的研究［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：14－16.

［4］張艷敏.抽油桿失效分析［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：85－88.

［5］單春艷，李春福，程立章.油田用抽油桿斷裂分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2008，44（4）：203－205.

［6］鐘伯明，魏嘉荃，張永弘.抽油桿桿體表面缺陷臨界尺寸的確定［J］.石油機械，1999，7（18）：22－30.

［7］李其.抽油桿表面裂紋及剩余壽命的可靠性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.