抽油桿疲勞試驗夾持部位斷裂原因分析及對策

王春彥

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

■質量安全論壇

抽油桿疲勞試驗夾持部位斷裂原因分析及對策

王春彥

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

抽油桿疲勞性能是評價抽油桿綜合性能的重要指標。通過對抽油桿Ⅱ型試樣在進行疲勞試驗時其夾持部位首先出現斷裂的原因和影響因素進行分析，提出了相應的對策措施，將抽油桿夾持部位斷裂的概率降到最低，大大提高了抽油桿疲勞試驗的成功率。

抽油桿；夾持部位；斷裂；原因分析；對策

1 抽油桿疲勞性能

抽油桿的失效形式主要是疲勞破壞，疲勞試驗是檢驗抽油桿疲勞性能的主要方法[1]。抽油桿疲勞試驗是按照SY/T 5029—2013《抽油桿》附錄D鋼制抽油桿疲勞性能要求和試驗方法進行[2]。該標準將疲勞試驗所用試樣分為兩種，Ⅰ型試樣和Ⅱ型試樣（圖1）。Ⅰ型試樣為全尺寸短抽油桿試樣，是在生產過程按照要求的尺寸生產的，其制造工藝和批量生產工藝一致；Ⅱ型試樣是從批量生產的成品抽油桿上截取，為抽油桿實物試樣。

圖1 抽油桿試樣

由于Ⅰ型試樣為生產廠商提供的試樣，而Ⅱ型試樣是從供貨產品隨機截取的試樣，因此Ⅱ型試樣質量更能說明該批抽油桿的質量狀況。但在對Ⅱ型試樣進行疲勞性能試驗時，由于夾持部位受外力影響較大，是整個試樣的薄弱環節，常常首先在夾持部位斷裂，不能反映抽油桿的真正疲勞性能指標，易造成疲勞試驗失敗，如圖2所示。在實際試驗中，采用Landmark 370.25疲勞試驗機配置楔塊，成功率僅為20%。

圖2 抽油桿斷裂部位

2 原因分析

造成夾持部位斷裂的主要原因是應力集中，致使應力集中部位形成裂紋核，裂紋核不斷擴展形成裂紋導致斷裂。

2.1 夾頭楔塊平行度的影響

由于夾頭楔塊局部磨損或安裝等原因，夾頭楔塊夾持面左右不平行如圖3所示，造成抽油桿夾持部位局部應力過大，同時在夾緊部位與非夾緊部位過度區域彈性變形受到限制，容易在圖3中A區產生疲勞脆斷。

2.2 試樣結構形式的影響

在對金屬材料進行疲勞試驗時要進行試樣的制備。通過機加工制作成一定形狀的試樣，如啞鈴型試樣，中間細強度小，兩頭粗強度高，中間細的部位為有效評定區，因此該結構成功率較高。抽油桿產品要進行表面淬火等硬化處理，按標準要求需對成品進行試驗，如上所述抽油桿試樣結構為Ⅰ型和Ⅱ型，特別是最能反映抽油桿性能的Ⅱ型試樣，夾持段受力較大容易造成試驗失敗。

圖3 夾緊部位應力分布

2.3 夾頭楔塊結構形式的影響

疲勞試驗機所配的夾塊一般為平板式和V型槽式，如圖4所示。V型槽式夾塊主要用于圓棒式樣，但該夾塊V型槽與圓棒接觸為線接觸或點接觸（圖5），易造成夾持部位應力集中或式樣損傷，在試驗過程中易在該部位斷裂。

圖4 平板式和V型槽夾塊

圖5 夾塊V型槽與圓棒接觸形式

2.4 夾頭楔塊硬度的影響

夾頭楔塊硬度太小，容易引起夾頭楔塊磨損，硬度太大容易損傷試樣，造成試樣在損傷部位斷裂，因此夾頭楔塊的硬度略高于試樣的硬度，一般楔塊硬度比抽油桿硬度高10～20 HRC。

2.5 表面質量狀況的影響

抽油桿夾持部位表面有凹痕、刻痕、結疤、軋制飛邊、軋制折疊及機械損傷等不連續缺陷，在試驗過程中，在該部位產生應力集中，容易形成裂紋核和裂紋源，最終造成疲勞脆斷。

2.6 夾持長度的影響

夾持長度小，抽油桿夾持部位的壓強大，容易損傷試樣而形成裂紋源。夾持長度大，抽油桿夾持部位的壓強小，損傷程度和幾率小，根據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的相關要求，試樣夾持端長度為夾頭楔塊高度的3/4以上。

2.7 夾頭楔塊同軸度的影響

疲勞試驗機上下夾頭的同軸度是試驗機重要技術參數之一（圖6），必須符合相關標準要求。如果同軸度過大，會產生附加彎矩[3]，特別是在夾持部位，應力與拉伸應力疊加產生較嚴重的應力集中（圖7），容易在該處提前產生斷裂，導致試驗失敗。

圖6 上下夾頭不同軸

圖7 夾持部位應力分布

2.8 夾持力的影響

夾持力不能過大也不能過小，過大容易損傷試樣，在損傷部位形成裂紋核，過小容易松動，影響實驗結果。

3 對策措施

根據以上原因，制定相應的對策措施，將抽油桿夾持部位斷裂的概率降到最低。

3.1 調整夾頭楔塊，確保楔塊平行度

定期檢查夾頭楔塊磨損情況，當楔塊接觸面有磨損，平行度變差，要及時調整或更換，一般楔塊的平行度不低于0.1 mm/500 mm。

3.2 設計楔塊結構，實現接觸面積最大

Landmark 370.25疲勞試驗機配備的夾頭楔塊為平板式和V型槽式，平板式適于板狀試樣，V型槽式適于圓棒式樣。為了增加接觸面，可將V型槽改為與抽油桿表面相適應的圓弧面[4]，圓弧表面加工成頂端為平齊凸起結構，或者是在內表面噴涂金剛砂以增加摩擦力，同時減少對式樣表面的損傷，如圖8所示。

圖8 夾塊夾持部位結構圖

3.3 定期檢查夾頭同軸度，減少彎曲應力

同軸度超標導致抽油桿夾持部位產生較嚴重的應力集中。根據JJG 556—2011《軸向加荷疲勞試驗機檢定規程》規定同軸度為1%，因此定期檢測試驗機夾頭的同軸度是否在標準范圍之內。

3.4 合理選擇楔塊材質，匹配表面硬度值

根據不同抽油桿硬度值，選擇相應材質設計加工楔塊。通過不同熱處理工藝，定制不同表面硬度的楔塊來匹配相應的抽油桿，確保楔塊的表面硬度比抽油桿表面硬度高10～20 HRC的經驗值。

3.5 認真檢查試樣表面，減少表面缺陷影響

在對抽油桿試樣進行疲勞試驗之前，應認真進行外觀檢驗，特別是夾持部位不得有凹痕、刻痕、結疤、軋制飛邊、軋制折疊及機械損傷等超標不連續以及彎曲變形等缺陷，以提高抽油桿疲勞試驗的成功率[5]。

3.6 根據試驗載荷，正確選擇夾持力

夾持力的確定原則是試樣與楔塊的摩擦力應大于加載力，一般應根據楔塊與抽油桿表面狀況計算摩擦力或根據試驗機廠家推薦采用的試驗力-夾持力曲線確定。

3.7 增加夾持長度，減小夾持壓強

抽油桿夾持部位長度最好與楔塊高度一致，最小也應大于楔塊高度的3/4，盡可能增加夾持端的接觸面積，降低加持壓強，減少加持力造成外表面機械損傷。

3.8 加工特殊工裝，增加夾持面積

在對Ⅰ型試樣進行試驗時，可加工與抽油桿桿頭螺紋相適應的內螺紋工裝，工裝夾持部位可加工成板狀，增加與板狀楔塊的夾持面積，材質預熱處理與接箍相同，螺紋端與桿頭按標準要求擰緊，大大增加了抽油桿試驗的成功率。

4 結論

1）按SY/T 5029—2013《抽油桿》要求采用Ⅰ型試樣時，兩端采用接箍與試驗機卡頭連接，接箍承受的夾持力直接影響連接螺紋的疲勞性能，通過加工工裝可消除對螺紋疲勞性能指標的影響。

2）按SY/T 5029—2013《抽油桿》要求采用Ⅱ型試樣時，兩端桿體與試驗機卡頭連接，由于抽油桿夾持部位的幾何尺寸和強度與其他測試部位基本一致，但夾持部位受到夾持力影響易產生表面缺陷，因此該型試樣夾持部位斷裂增加了必然性。

3）采用Ⅱ型試樣，可以很好地對連接螺紋、凸臺等易產生應力集中的部位的疲勞性能進行檢驗。

[1]李大建,陸梅,郭靖,等.H級抽油桿疲勞性能試驗分析[J].石油礦場機械,2015,44(12)：42-44.

[2]全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會.抽油桿：SY/T 5029—2013[S].北京：石油工業出版社,2014.

[3]中國航空工業第一集團公司.金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法：GB/T 15248—2008[S].北京：中國標準出版社, 2008.

[4]蔣川.抽油桿疲勞斷裂原因分析及治理措施探討[J].中國石油和化工標準與質量,2016,36(17)：56-57.

[5]凌明,魏亞功.疲勞試驗機同軸度產生的原因及調整方法[J].上海計量測試,2012(4)：38-40.

The fatigue performance of sucker rod is an important index to evaluate the comprehensive performance of sucker rod.The causes why theⅡtype specimen of sucker rod fractures firstly at the clamping position in fatigue tests and their influence factors were analyzed,and some corresponding countermeasures were put forward to reduce the probability of sucker rod fracturing at the clamped part to minimum and greatly increase the success rate of the fatigue tests of sucker rod.

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2017-05-11

王春彥（1970-），女，工程師，現主要從事特種設備檢驗工作。