30CrMoA抽油桿失效分析

楊宏利，王 軍

（西安三維應力工程技術有限公司，西安710061）

30CrMoA抽油桿失效分析

楊宏利，王 軍

（西安三維應力工程技術有限公司，西安710061）

為了研究抽油桿的失效原因和減少抽油桿的斷井事故，對現(xiàn)場取回的抽油桿失效樣品進行幾何尺寸測量和理化性能檢測，并對斷口進行宏觀、微觀分析及載荷分析。檢測及分析結果顯示，抽油桿幾何尺寸、理化性能符合相關標準要求，滿足其使用性能要求；斷口起源于機械損傷部位，隨著周期性的載荷作用，疲勞損傷不斷積累，最終導致抽油桿扳手方發(fā)生疲勞斷裂，裂紋宏觀及微觀均呈現(xiàn)疲勞裂紋擴展特征。失效分析結果表明，要保證抽油桿的使用安全，除產(chǎn)品質量這一重要因素外，對抽油桿的使用過程進行監(jiān)測控制也是很重要的環(huán)節(jié)。

抽油桿；機械損傷；疲勞失效；過程檢測

Abstract:In order to study the failure cause of the sucker rod and reduce the breaking off accident of sucker rod in the well.The sucker rod failure sample was retrieved from the job site,the geometry size of sample was measured,the physical and chemical properties of sample were tested,and the macro and micro analysis,load analysis of sample fracture were finished.After the testing and analysis,the results indicated that the geometry size,physical and chemical properties of the sucker rod meet the requirements of the relevant standards and meet usage performance requirements;the sample fracture originated from the mechanical damage,with periodic loading,the fatigue damage was accumulated,which caused a fatigue fracture of the sucker rod wrench eventually,both macro and micro crack showed fatigue crack propagation characteristic.According to the failure analysis results,in order to ensure the safety of using the sucker rod,monitoring and controlling the using process of the sucker rod is an important factor besides the product quality.

Key words:sucker rod;mechanical damage;fatigue failure;process detection

1 概 述

新疆庫車縣境內某井的機抽桿柱自下而上為：CYB-70/44TH柱塞+7/8in抽油桿2根+變絲+1in抽油桿100 m+變絲+3/4in抽油桿575 m+變絲+7/8 in抽油桿1 134 m+變絲+1 in抽油桿459 m＋調整短節(jié)+1in抽油桿2根+Φ28 mm光桿。泵型CYB-70/44TH（5級間隙短沖程），泵深2 300 m，泵常數(shù)3.35，工作制度為5.5 m×3 n/min，泵排量55.3 m3，配套抽油機為16型抽油機，桿柱設計（從大至小）為0.25 ∶0.50 ∶0.25， 抽汲混合液粘度為 1 600 mPa·s，理論最大安全抽深1 500 m，3/4 in應力比為98%，7/8 in應力比為92.6%，1 in應力比為83.9%，調防沖距30～50 cm，350型井口（裝雙閘板手動防噴器）。

該抽油桿2015年1月17日入井，2016年3月21日發(fā)生斷桿事故（僅1根發(fā)生斷裂），運行壽命429天。在桿斷前1天，抽油桿沖程為5.36 m，沖次為3.07 n/min，泵掛2 305.2 m，動液面1 492 m，沉沒度為813.2 m，含水38.2%，粘度為1 120 mPa·s，工圖上顯示最大載荷為140.8 kN，最小載荷為64.8 kN，交變荷載76 kN；斷桿當天抽油桿沖程5.38m，沖次3.07n/min，泵掛2305.2m，動液面1597m，沉沒度708.2m。

對現(xiàn)場取回的斷裂抽油桿樣品進行檢測，并結合現(xiàn)場環(huán)境條件進行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于機械損傷，屬于疲勞裂紋擴展失效。分析表明，抽油桿的安全使用不僅要關注抽油桿的質量，同時抽油桿使用過程的監(jiān)測控制也很重要。

2 失效抽油桿宏觀檢查及分析

2.1 宏觀形貌

圖1為斷裂推油桿樣品的宏觀形貌。從圖1可以看出，抽油桿從扳手方（接近凸緣）斷裂，樣品表面沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物。圖2為推油桿的表面斷口形貌。從圖2可以看出，斷裂起源于扳手方棱角損傷處，與斷口大部分表面沒在同一平面，裂紋起源后從棱角向內部呈放射狀擴展，擴展區(qū)較平坦，可觀察到放射條紋，符合疲勞斷裂特征。

圖1 斷裂推油桿的宏觀形貌

圖2 斷裂推油桿的表面斷口形貌

2.2 幾何尺寸測量

對抽油桿的幾何尺寸進行測量，測量結果見表1。由表1可知，抽油桿桿體、凸緣、扳手方及接箍尺寸均滿足SY/T 5029—2013標準要求。

表1 抽油桿幾何尺寸測量結果

3 理化性能試驗

3.1 化學成分

對扳手方斷口附近及桿體的化學成分進行檢測，結果見表2。由表2可以看出，材質為30CrMoA的扳手方與桿體的成分基本一致。且扳手方與桿體的化學成分均符合GB/T 26075—2010標準要求。

表2 抽油桿桿體化學成分

3.2 拉伸性能

從桿體截取試樣進行拉伸性能檢測，檢測結果見表3。拉伸試驗結果表明，桿體強度滿足SY/T 5029—2013標準要求，屈強比為0.964。

表3 抽油桿桿體拉伸試驗結果

3.3 沖擊韌性

在抽油桿的鐓粗桿體和未鐓粗桿體處分別取2個沖擊試樣，依據(jù)GB/T 229—2007要求對抽油桿的沖擊性能進行測試，結果見表4。由表4可看出，26℃下兩種桿體的沖擊性能一致。

表4 抽油桿桿體縱向試樣沖擊試驗結果

3.4 硬度測試

對扳手方斷口附近和桿體進行硬度測試，測試結果分別見表5及圖3。測試結果表明，桿體的洛氏硬度均值較扳手方高9.7%左右。依據(jù)式（1）將HRC值換算成抗拉強度，換算結果見表6。

式中： 17≤HRC≤50。

表5 扳手方斷口附近洛氏硬度測試結果 HRC

圖3 桿體洛氏硬度測試結果

表6 洛氏硬度換算的抗拉強度及實測結果對比

3.5 顯微組織分析

對扳手方斷口附近及桿體顯微組織進行分析，分析結果如圖4所示。從圖4可以看到，扳手方的組織為回火索氏體，其中扳手方心部的組織不均勻，晶粒度等級為6級；桿體的組織較細，晶粒度等級為7級。抽油桿的夾雜物形貌如圖5所示，結合圖片分析得出夾雜物等級，見表7。

圖4 扳手方斷口附近及桿體典型顯微組織形貌 500×

圖5 抽油桿典型夾雜物形貌 100×

表7 抽油桿夾雜物評定結果

4 檢測及試驗結果分析

4.1 幾何尺寸及理化性能

抽油桿幾何尺寸符合SY/T 5029—2013標準要求；扳手方斷口附近及桿體化學成分基本一致，均符合GB/T 26075—2010標準要求；扳手方和桿體的夾雜物等級較低，組織為回火索氏體，扳手方的組織較桿體粗大；桿體硬度較扳手方高9.7%；桿體拉伸性能符合SY/T 5029—2013標準要求。

4.2 載荷分析

抽油桿斷前1天（2016年3月20日），工圖上顯示的最大載荷為140.8 kN（最大應力366 MPa），最小載荷為64.8 kN（最小應力168 MPa），交變荷載76 kN（交變應力198 MPa）。在交變載荷的作用下，扳手方棱角與油管內壁相互磨損，導致抽油桿表面噴丸強化層被磨掉，抗疲勞性能薄弱層露出，隨著周期性的載荷作用，疲勞損傷不斷積累，最終導致扳手方發(fā)生疲勞斷裂，扳手方棱角磨損是本次斷桿的誘發(fā)因素，交變載荷過大是導致本次斷桿的本質原因。

抽油桿斷前1天，泵掛2 305.2 m，動液面1 492 m，沉沒度813.2 m；在斷裂當天，動液面1 597 m，沉沒度708.2 m，沉沒度減小了105 m，導致抽油桿承受的載荷突增，而抽油桿剩余承載面積已很小，導致抽油桿最終斷裂。

綜上所述，本次抽油桿斷裂是因為扳手方棱角有機械磨損，產(chǎn)生應力集中。當抽油桿表面噴丸強化層被磨掉后，此處出現(xiàn)疲勞裂紋，并逐漸向內擴展。當抽油桿最終受力面積不足以承受拉伸載荷時，發(fā)生突然斷裂。

5 結 論

（1）抽油桿幾何尺寸及理化性能均滿足標準要求。

（2）抽油桿斷裂的主要原因是機械損傷導致疲勞斷裂。

（3）在保證抽油桿產(chǎn)品質量的同時，也應該對使用過程進行監(jiān)控，避免因為操作原因導致抽油桿發(fā)生疲勞開裂。

[1]高鵬，張博，賀鵬.H級抽油桿疲勞壽命模型的確定[J].中國石油和化工標準與質量，2014（9）:187-188.

[2]高偉棟.螺桿泵合理轉數(shù)的研究分析[J].石油石化節(jié)能，2016，6（9）:47-49.

[3]尚水龍.抽油桿失效機理及治理技術研究[D].西安：西安石油大學，2010.

[4]LJAVIDI M,SAEEDIKHANI M,OMIDI R.Failure analysis of a gas well tubing due to corrosion:a case study[J].Journal of Failure Analysis&Prevention,2012,12（5）:550-557.

[5]梁辰，鄧福成，李惠子，等.抽油桿柱疲勞斷裂失效分析[J].石油礦場機械，2013，42（4）:71-74.

[6]白強，龐斌，林偉，等.HL型抽油桿斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2016，41（7）:187-191.

[7]MIGAHED M A,NASSAR I F.Corrosion Inhibition of Tubingsteelduringacidizationofoilandgas wells[J].Journal ofPetroleum Engineering,2008,53（6）:2877-2882.

[8]田紅建.抽油桿表面裂紋的實驗研究與有限元分析[D].沈陽：東北大學，2010.

[9]張永強，李輝，王珂，等.油井管桿偏磨失效分析[J].表面技術，2016，45（8）:87-91.

[10]ZHAO G X,XIANG H L,HAN Y.Analysis of the reason on tubing corrosion failure[J].Journal of Materials Engineering,2010,30（3）:51-55.

[11]YANG L H,LI J P,SHI Z H.CO2induced corrosion of two tubing steels in simulated oil-field waters[J].Corrosion Science&ProtectionTechnology,2010,21（2）:131-135.

[12]薛春芳.聚驅抽油機井管桿偏磨模糊可靠性研究[D].大慶：大慶石油學院，2005.

[13]BENHADDAD S，LEE G.Role of microstructure in sucker rod string failures in oil well production[J].Practical Failure Analysis,2001（2）:47-54.

[14]KOPEY B V,MYKHAILIUK V V,LIAKH M M.Research of stress-deformation state of worn sucker rod thread connection[J].Oil and Gas Exploration and Production,2014（1）:13-20.

[15]李成彬.抽油桿表面裂紋仿真分析及剩余壽命預測[D].荊州：長江大學，2016.

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

[17]李連波.20CrMo抽油桿腐蝕機理研究[D].大慶:中國石油大學，2008.

[18]靳永紅，李璐，蘇偉，等.塔河油田稠油機抽井桿失效原因分析[J].中外能源，2015，20（11）:74-78.

Failure Analysis of the 30CrMoA Sucker Rod

YANG Hongli,WANG Jun
（Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710061,China）

TE933.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.012

2017-04-17

編輯：黃蔚莉

楊宏利（1984—），本科，助理工程師，目前主要從事石油管材檢測及失效分析工作。