某油田潛油電泵接頭斷裂失效分析

龍 巖，馬 磊，陳 康，熊茂縣，李 巖，王 華

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3.安徽電力工程監理有限公司 安徽 淮北 235000)

·失效分析與預防·

某油田潛油電泵接頭斷裂失效分析

龍 巖1，馬 磊2，陳 康3，熊茂縣2，李 巖2，王 華2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3.安徽電力工程監理有限公司 安徽 淮北 235000)

針對一起潛油電泵接頭斷裂失效事故，采用化學成分分析、金相分析、掃描電鏡分析、能譜分析等檢測手段，系統研究了該潛油電泵接頭失效分析機理。研究表明，該潛油電泵接頭斷裂屬于疲勞斷裂，其表面存在加工刀痕是誘發失效的主要原因。

潛油電泵；疲勞斷裂；加工質量

0 引 言

近年來，隨著日益增長的能源需求及油田產能的降低，機械采油技術成為油田增產的主要方式[1]。應用潛油電泵采油是機械采油中較為先進的生產方法，它能顯著提高產油量，是油田重要的機采設備之一，同時由于其服役環境苛刻，對電泵材料的性能及加工質量有較高要求[2-4]。2016年8月，某油田A井進行檢泵作業時，發現防H2S/防砂138 mm潛油電泵接頭沿橫向完全斷裂，斷裂面下部機組落井，該電泵自下井至斷裂失效僅歷時72 d，對油田正常生產造成極大影響。本文結合化學成分分析、金相分析、掃描電鏡分析、能譜分析等方法，對該潛油電泵接頭斷裂原因進行分析，旨在預防此類失效再次發生。

1 試驗結果及分析

1.1 宏觀形貌分析

該斷裂接頭材質為316L不銹鋼，其宏觀形貌如圖1所示。該潛油電泵斷裂位置位于下節泵下接頭法蘭盤根部，其結構與圖1(a)中上節泵下接頭相同。圖1(b)為斷口宏觀形貌，該接頭斷口源區位于外面表刀痕處，正對裂紋源區可見撕裂特征，為斷口的瞬斷區，斷口周圍未見頸縮變形特征。圖1(c)為裂紋源區宏觀形貌，該斷口裂紋源區有放射花樣匯聚于外表面，源區平坦光亮。該斷裂接頭外表面形貌如圖1(d)所示，其外表面存在軸向刀痕，并可見刀痕延伸至斷口邊緣，接頭表面光滑呈金屬光澤，未見腐蝕坑特征。通過以上宏觀形貌分析可初步推斷，該潛油電泵接頭斷裂屬于典型的低應力脆性斷裂，起裂于接頭外表面刀痕處。

1.2 幾何尺寸測量

采用游標卡尺對該斷裂接頭外徑進行測量，采用測厚儀對其壁厚進行測量，測量點具體位置如圖2所示，測量間距10 mm，測量結果見表1。由測量結果可知，該斷裂接頭外徑和壁厚分布均勻，未見明顯塑性變形。

圖1 斷口宏觀形貌

圖2 幾何尺寸測量點示意圖

1.3 化學成分分析

從該斷裂接頭取樣，依據GB/T 11170—2008標準，應用ARL 4460直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果見表2。由檢測結果可知，該斷裂接頭化學成分不符合GB/T 20878—2007標準對316L(國內牌號022Cr17 Ni12Mo2)不銹鋼材質要求，其中C元素含量高于標準要求最大值，Mo元素含量低于標準要求最小值。

1.4 金相分析

從該斷裂接頭取金相試樣，依據GB/T 13298—2015、GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2002標準，應用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統對其顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進行分析，顯微組織照片如圖3(a)所示，非金屬夾雜物形貌如圖3(b)所示。該斷裂接頭顯微組織為奧氏體+少量條帶狀α鐵素體，晶粒度4.0級，晶粒尺寸較粗大；非金屬夾雜物A1.5e，B1.0e，D1.5e級，夾雜物較多、尺寸較大。從金相分析可看出，該斷裂接頭材料奧氏體晶粒粗大、非金屬夾雜物較多，說明材料的熔煉及熱處理工藝存在一定問題。

表1 幾何尺寸測量結果 mm

表2 斷裂接頭化學成分(質量分數) %

圖3 斷裂接頭金相分析圖

1.5 斷口微觀分析

從該接頭斷口取樣，經醋酸纖維紙+丙酮試劑清洗后，采用TESCAN VEGA3 XMU掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜分析儀分別對斷口進行微觀形貌觀察和能譜分析。斷口裂紋源區微觀形貌如圖4(a)所示，該接頭裂紋源區具有明顯河流花樣，呈典型的穿晶解理斷裂特征，并可見磨損痕跡，源區未見大量腐蝕產物覆蓋。該接頭裂紋擴展區形貌與源區類似，均為穿晶解理斷裂，高倍觀察下，可見裂紋擴展區存在疲勞輝紋特征，如圖4(b)所示。斷口能譜分析結果如圖5所示，該接頭斷口主要分布元素為Fe、Ni、Cr等不銹鋼基體元素，C、O元素含量較低，說明該接頭未受明顯腐蝕。

圖4 斷口SEM微觀形貌

元素質量比/%原子比/%O4.6514.33Si1.532.68Mo1.430.73Cr16.5415.69Mn1.261.14Fe64.7157.14Co1.301.08Ni8.587.21Totals100.00/

圖5 斷口能譜分析結果

2 失效原因綜合分析

該斷裂接頭位于管柱結構下部，承受拉伸載荷較小，幾何尺寸測量結果表明，其外徑及壁厚分布均勻，未見塑性變形特征，可排除過載斷裂可能性。該斷裂接頭材質為耐蝕性較好的316L不銹鋼，其表面光滑、未見腐蝕特征；能譜分析結果表明，斷口主要分布元素為Fe、Cr、Ni元素，未見腐蝕產物元素分布，亦可排除腐蝕失效可能性。

化學成分分析表明，該斷裂接頭化學成分不符合GB/T 20878—2007標準對316L不銹鋼材質要求，C元素含量高于標準要求最大值，Mo元素含量低于標準要求最小值，其中C含量過高會降低材料韌性，影響材料的綜合力學性能。宏觀分析表明，該斷裂接頭外表面存在明顯刀痕，其中法蘭根部刀痕延伸至斷口裂紋源區。金相分析表明，該斷裂接頭組織為奧氏體+少量條帶狀α鐵素體，晶粒度4.0級，非金屬夾雜物A1.5e，B1.0e，D1.5e級，該接頭晶粒粗大以及非金屬夾雜物較多說明該接頭材料熔煉及熱處理工藝存在一定問題。潛油電泵作為采油作業的核心系統，其在服役過程中不可避免的會產生振動附加載荷，對電泵材料的抗疲勞性能有較高要求。材料疲勞與應力集中、組織、非金屬夾雜物具有一定關系，其中應力集中是導致構件疲勞破壞的重要原因[5]。該斷裂接頭表面加工質量較差，其表面刀痕易引起應力集中成為裂紋策源地，在交變載荷作用下造成疲勞破壞。此外，該斷裂接頭晶粒粗大、非金屬夾雜物較多可能造成材料塑性降低、脆性增加，特別是晶粒粗大不但降低晶粒間協調性、影響材料的塑性，還會降低材料強度，進而減小構件疲勞壽命。

根據生產廠家提供的該電泵機組拆卸情況，可知其下節泵內葉導輪出現偏磨，而接頭外部則未見磨損特征，說明電泵在作業過程中振動較大、承受附加交變載荷，滿足疲勞裂紋形成的受力條件。斷口宏觀分析表明，該接頭斷口平坦，周圍無頸縮變形，裂紋源區較光亮，滿足疲勞斷口的宏觀形貌特征。斷口微觀分析表明，該接頭裂紋源區位于外表面刀痕處，斷面河流花樣明顯，具有穿晶解理斷裂形貌，高倍下可觀察到疲勞輝紋，滿足疲勞斷口的微觀形貌特征。此外，奧氏體不銹鋼屬于面心立方金屬，由于存在大量滑移系一般不發生解理斷裂，但該接頭斷口具有解理形貌且無腐蝕特征，可見其材質較差，與金相分析結果相印證。綜合以上分析可確定，該潛油電泵接頭斷裂屬于疲勞斷裂。該接頭加工質量較差，交變載荷作用下，其外表面刀痕處形成疲勞裂紋源；該接頭材質差、疲勞抗性較低，疲勞裂紋快速擴展，最終出現低應力脆性斷裂。

3 結論及建議

1)該斷裂接頭化學成分不符合GB/T 20878—2007標準對316L不銹鋼材質要求，C元素含量高于標準要求最大值，Mo元素含量低于標準要求最小值。該斷裂接頭組織為奧氏體+少量條帶狀α鐵素體，同時其晶粒粗大，非金屬夾雜物較多。

2)該潛油電泵接頭斷裂屬于疲勞斷裂，其表面存在加工刀痕是誘發疲勞裂紋的主要原因。

3)該斷裂接頭存在質量問題，建議加強質量監控。

[1] 譚海嶸. 國內外機械采油技術發展綜述[J]. 內蒙古石油化工, 2008, 34(4)：64-66.

[2] 朱宗元, 李邦俊, 李玉青. 潛油電泵軸斷裂失效分析[J]. 理化檢驗-物理分冊, 2000, 36(1):34-36.

[3] 馮 定, 李成見, 朱宏武,等. 潛油電泵的振動失效分析研究[J]. 石油天然氣學報, 2005, 27(4):519-521.

[4] 王力霞, 馬春陽, 劉巨保,等. 潛油電泵易損零部件失效分析方法[J]. 石油礦場機械, 2006, 35(6):93-96.

[5] 高玉魁. 疲勞斷裂失效分析與表面強化預防[J]. 金屬加工:熱加工, 2008(17):26-28.

Joint Fracture Failure Analysis of Electric Submersible Pump in an Oilfield

LONG Yan1, MA Lei2, CHEN Kang3, XIONG Maoxian2, LI Yan2, WANG Hua2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.PetrochinaTarimOilFieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China;3.AnhuiElectricPowerEngineeringSupervisionCo.Ltd.,Huaibei,Anhui235000,China)

The joint fracture failure reason of an electric submersible pump was analyzed by means of chemical analysis, metallographic analysis, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis. The results showed that the fracture of the joint is due to fatigue fracture, and the processing knife mark on the surface is responsible for fatigue fracture.

electric submersible pump; fatigue fracture; processing quality

龍 巖，男，1987年生，工程師，2014年畢業于南京理工大學材料學專業，目前主要從事石油管工程技術研究。E-mail:longyan01@cnpc.com.cn

TG142.1

A

2096-0077(2017)04-0048-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.012

2017-03-15 編輯：屈憶欣)