淺析抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素

胡博 周洋 伏林鈞

摘 要：抽油桿是石油開采三抽設備中不可或缺的關鍵部件，故其作用不容忽視，數量更是與日俱增。但在實際應用中，往往因抽油桿柱發生斷脫而影響石油開采效率和效益，其中熱處理質量對其疲勞失效有著較大影響。對此，本文對抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素進行了分析，并就其控制措施進行了探討。

關鍵詞：抽油桿柱；疲勞失效；熱處理因素

在石油開采過程中，抽油桿時常會因失效而影響作業進度，增加經濟損失，其中疲勞、腐蝕、磨損是失效的常見形式。因此為進一步提高石油生產效率，改善提取原油的高效性，并減少不必要的資金支出，就必須對抽油桿柱疲勞失效的原因加以分析，尤其是其熱處理因素，以此尋求有效措施實現抽油桿的高效耐用，進而促進石油開采穩步進行。

1.抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素

為了解熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的作用機理，在此以某采油廠的抽油桿斷桿為例，結合其斷裂部位、服役期限、循環周次以及生產泵型、動液面高、沖程長度、下泵深度、抽油桿柱等級、數量等相關情況，作了如下探究：

1.1.對斷桿荷載強度的分析

有時抽油桿柱承受荷載不對稱也會致使其出現疲勞失效，因此為進一步驗證熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的影響，有必要對其荷載強度進行分析。即根據公式 和 計算其最大荷載和最小荷載，其中 、 、 分別代表液柱荷載、桿柱荷載和動荷載，代入相關數據后得到其最大應力和最小應力分別為156.9和40.5（MPa），最后得知應力幅在允許范圍內，故其其設計強度與相關要求相符。

1.2.對斷桿斷口情況的分析

觀察抽油桿斷口宏觀形貌發現（見圖1），該斷口平齊，無明顯的輝紋特征和塑性變形；裂紋從外螺紋根部開始，臺階明顯，且擴展方向與拉伸應力的最大方向保持垂直狀態；同時2/3的抽油桿截面均為斷裂區，且其中結晶狀的剪切唇和放射區較為明顯，但并未觀測到纖維區，故該材料具有較差的韌性，并受到了較大的疲勞應力[1]。隨后經特殊處理后，對其微觀形貌也作了認真觀察和分析，結果發現，其裂紋起源、擴展區以及斷裂區均較為平整，而斷裂機理主要為混合斷裂機構，且伴有準解理的二次裂紋花樣，由此可以判斷，其的形成與氫脆、淬火不佳或回火過熱有關，進而導致鋼的韌性和塑性降低，而脆性得到了增強；同時位于螺紋根部的裂紋，應該是由過熱導致的，如此一來，其會明顯降低材料性能，并縮短其使用壽命，若遇到動荷載，其影響會更為凸顯。同時在對抽油桿斷裂位置截取了合適的金相試樣（見圖2），經顯微鏡觀察后發現，其組織相對粗大，為正火態的鐵素體與珠光體，故韌性較差。此外還在其硬度檢測中得知，該抽油桿內外具有不均勻的硬度。

圖1 斷口宏觀形貌 圖2 金相組織結構

由上可知，抽油桿柱的疲勞失效與熱處理因素關系較大，概括的講，主要是因熱處理過程中的過熱現象對材料的晶粒分布產生了影響，以致于弱化了桿柱的塑性和韌性，導致其外螺紋根部由于應力相對集中而產生疲勞裂紋，并經快速擴展后發生了準脆性疲勞斷裂失效。

2.抽油桿柱疲勞失效控制方法分析

2.1.規范熱處理工藝

鑒于抽油桿柱的熱處理工藝對其材料性能影響較大，故應基于完善的熱處理制度規范工藝操作，以免因熱處理不當降低抽油桿柱的塑性、韌性和使用壽命[2]。通常調質鋼在完成熱加工后，必須借助預備熱處理工藝降低其硬度，以消除組織缺陷，便于切削加工；然后需要進行的是淬火與高溫回火等最終熱處理工藝，通常為防止出現熱處理缺陷，往往要求淬火具有較慢的冷卻速度，若其強度較高，則建議采用溫度較低的回火處理工藝。如在對40Cr合金鋼進行熱處理時，通常需要參考下述規范標準，退火工藝需要采用隨爐冷卻方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和120mim左右；正火工藝需要采用空冷方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和120mim左右；淬火工藝需要采用油冷方式，加熱溫度和保溫時間適宜控制在850℃和80mim左右；而回火工藝則有低溫、中溫和高溫之分，雖均采用空冷方式，但選用的具體溫度和保溫時間不盡相同[3]。完成熱處理操作后，我們應借助洛氏硬度結合金相觀察（制備-磨光-機械拋光-顯露組織-顯微觀察），對熱處理后的材料性能進行測試。若存在缺陷，則要采取合理有效的熱處理修復工藝加以補救，以此最大程度的降低熱處理因素對抽油桿柱疲勞失效的影響。

2.2.注重科學使用和管理

抽油桿柱的疲勞失效控制僅靠強化熱處理工藝管理是不夠的，畢竟其在使用過程中還會受到其他因素的干擾，因此學會科學使用，加強日常管理也十分關鍵。這就要求我們合理分析其涵蓋動載力、靜載力、摩擦力在內的受力情況，并根據有無初始裂紋狀態下的疲勞壽命計算公式合理估算抽油桿柱的理論壽命，在此基礎上采取針對性措施以期最大限度的避免抽油桿柱出現疲勞失效[4]。如切實做大安全運輸、規范存儲，投入使用前仔細清潔其接箍和螺紋，并施加一定的預應力，以免其發生彎曲和腐蝕；針對具有一定傾斜度的油井，建議采用連續桿，以便降低脫扣事故；若油井泵掛較深或腐蝕性較強，建議選用K級桿，并結合其抗疲勞的實際強度值加以優化組合，以此使其更為安全穩定，防止出現斷裂事故；同時建立完善的抽油桿柱修復和回收制度，并通過定期檢測性能、循環周次統計、服役條件分析、使用壽命估算等，予以及時維修和更換，以此降低因抽油桿疲勞失效帶來的不利影響。

結束語：

總之，抽油桿柱出現疲勞失效在石油開采過程中時有發生，其中熱處理不當會影響其晶粒分布，進而提高桿柱的脆性引發疲勞失效。因此要想延緩其疲勞失效的時間，我們不僅要有效控制其熱處理工藝，也要對其受力情況和疲勞壽命加以分析，以此加強管理和維護，促進其工作效率的提高和使用壽命的延長。

參考文獻：

[1] 單丙娟，李其.抽油桿的疲勞失效及疲勞壽命分析[J].內蒙古石油化工，2011（12）.

[2] 周瑞芬.抽油機井抽油桿失效問題的損傷力學研究[D].東北石油大學，2011（05）.

[3] 姚紅星，柳春圖.抽油桿裂紋擴展的實驗研究和剩余疲勞壽命的預測[J].機械強度，2010（23）.

[4] 陳淑艷.抽油桿的疲勞失效分析與控制[J].中國西部科技，2010（09）.

作者簡介：

胡博（1987-）男，漢，天津大港人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學歷，材料科學與工程方向。

周洋（1985-）男，漢，湖南常德人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學歷，機械制造方向

伏林鈞（1984-）男，漢，四川廣元人，渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，助理工程師，本科學歷，機械制造方向