輪古油田A8-1井潛油電泵分離器斷裂失效分析

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(1.中國石油塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000； 2. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

·失效分析與預防·

輪古油田A8-1井潛油電泵分離器斷裂失效分析

沈建新1，單全生1，周懷光1，孫玉國1，賀湘輝1，劉蘭英1，鄺獻任2

(1.中國石油塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000； 2. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

通過宏觀檢驗、無損探傷、化學成分分析、金相檢驗、腐蝕產物分析等手段對輪古油田某井潛油電泵分離器斷裂的原因進行了分析。結果表明：化學成分、無損探傷符合技術要求，腐蝕產物為CaCO3；經過宏觀檢驗、金相組織檢驗，該分離器斷裂屬于脆性斷裂；主要原因是采用了碳鋼焊條將不銹鋼與碳鋼進行了焊接，導致在分離器殼體焊縫根部形成冷裂紋進而斷裂失效。

潛油電泵；分離器斷裂；原因分析

0 引 言

輪古油田是以碳酸鹽巖裂縫溶洞型古潛山稠油油藏為主，油藏埋藏深[1]，采油方式以電潛泵采油為主，其中A8-1井于2012年7月25日開鉆，2012年11月11日鉆至設計井深完鉆，完鉆井深5 210 m，2014年1月21日下潛油電泵采油管柱完井，累計運行17 d后潛油電泵機組燒壞，需要檢泵作業。2014年2月14日檢查電泵作業，起甩原井電泵發現電纜從電機接頭處脫落,機組從分離器上部本體17.5 cm處斷裂落井。該井作業前日產液93 t，日產油22 t，日產氣4 115 m3，含水率56%。潛油電泵分離器斷裂失效導致電泵機組發生故障[1，2]，分離器斷裂后其下部管柱落井，需要復雜打撈，造成較大經濟損失。分析潛油電泵分離器斷裂的原因，對于防止或減少類似失效事故的發生具有重要意義，為此通過理化檢驗等手段對該井分離器斷裂的原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

斷裂失效分離器宏觀形貌如圖1所示，從側面看：分離器表面呈亮白色，有明顯金屬光澤，整個分離器未見明顯變形。在分離器殼體外，有一塊鋼板通過焊接附在分離器殼體表面，且分離器斷口正好平齊于鋼板與分離器殼體焊縫根部，如圖1左圖所示。正面看分離器斷口，斷口平整，斷面上有明顯斷裂擴展痕跡，如圖2所示。仔細觀察分離器斷口，在分離器與殼體與外表面鐵塊焊接根部，可見有放射狀花樣痕跡，且該放射狀花樣收斂于焊縫根部，如圖2右圖所示。

圖1 斷裂失效分離器宏觀形貌

圖2 分離器斷口表面宏觀形貌

1.2 無損探傷

為了進一步確認該分離器本體外表面是否存在缺陷，我們對斷裂失效分離器殼體的外表面及內螺紋區域進行了磁粉探傷，結果發現，在分離器殼體與外表面鋼

板焊縫根部，有輕微開裂痕跡，如圖3所示。在斷口放射花樣附近，從分離器殼體內螺紋處可見明顯有由于受熱發黑的區塊，采用磁粉探傷，在該處未發現裂紋，如圖4所示。

圖3 分離器殼體外表面探傷結果

圖4 分離器殼體內螺紋磁粉探傷結果

1.3 化學成分分析

在斷裂分離器斷口附近取化學成分分析試樣，應用直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果符合技術要求，見表1。

1.4 金相組織分析

在斷裂分離器放射狀花樣處焊縫(編為2#)和圖4發黑區(編為1#)取樣，對這兩處進行金相組織分析，結果見表2。

表1 化學成分(質量分數)分析結果 %

表2 斷裂分離器殼體金相組織分析結果

圖5 1#試樣金相組織

圖6 2#試樣金相組織

圖7 2#焊縫處金相組織

圖8 2#焊縫與母材過渡處組織形貌

1.5 腐蝕產物形貌及成分分析

在分離器斷口放射狀區域取樣，應用超聲波和丙酮等有機溶劑進行清洗后，采用掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析儀對樣品進行腐蝕成分分析及腐蝕形貌觀察，結果可以看出，在分離器斷口放射狀花樣樣品表面，斷口靠外表面邊緣有磨損痕跡，如圖9所示；心部區域微觀形貌呈顆粒狀，如圖10所示。

圖9 低倍下放射狀花樣處磨損痕跡

圖10 放射狀花樣樣品心部顆粒狀形貌

應用X射線能譜分析儀對試樣斷口表面進行分析，結果顯示，分離器磨損處含有較高的Fe、Cr、C、O等，如圖11所示；心部區域還有較多Ca、O、C等，可以確定該成分為CaCO3，如圖12所示。

圖11 分離器斷口表面放射花樣區能譜分析位置

2 分析與討論

從以上分離器斷口宏觀形貌可以看出，該分離器斷裂[3]斷口平齊，無明顯變形，屬于典型的脆性斷裂。根據分離器斷口擴展方向及斷口面上放射狀花樣形貌，可

圖12 分離器斷口表面放射花樣區能譜分析結果

以看出，該分離器斷裂起源于分離器殼體外表面碳鋼與分離器殼體的焊縫根部。

根據相關文獻資料關于不銹鋼復合鋼板的焊接工藝解析，通常不允許在不銹鋼表面直接應用碳鋼焊縫焊接構件，主要是由于不銹鋼屬于高合金鋼，而普通碳鋼焊條/焊絲屬于低合金鋼，當在不銹鋼表面堆焊碳鋼焊條時，會在兩種金屬的交界區形成中合金鋼，這種中合金鋼焊縫金屬在焊接快速冷卻下，必然變得硬而脆，而且對冷裂紋極為敏感[4]。該分離器殼體為316L材料，為典型不銹鋼，而在其外表面，通過碳鋼焊條將其與碳鋼進行了焊接，這樣將不可避免上述所說的形成硬脆相且對冷裂紋十分敏感。

同時，也因為不銹鋼與碳鋼之間，收縮率不同，焊接后產生的應力大小不等，故也易產生裂紋。

綜上所述，該分離器斷裂主要是由于在分離器殼體(不銹鋼材料)外表面采用了碳鋼焊條將其與碳鋼進行了焊接，導致在焊縫根部形成冷裂紋所致。

3 結 論

1)采用了不恰當的焊接工藝將不銹鋼材料與碳鋼焊接在一起是導致分離器斷裂失效的主要原因。

2)建議采用高合金焊條[5，6]焊接不銹鋼與碳鋼構件。

[1] 夏新躍,歐雪慧,杜林輝，等.超深稠油井潛油電泵故障分析及改進措施[J] .石油和化工設備,2014,4(2):71-74.

[2] 孫峰華.潛油電泵常見故障原因及改進措施[J] .中國石油和化工標準與質量,2013,15(8):52.

[3] 崔澎濤,趙 杰,付 軍.渤海自營油田潛油電泵分離器斷裂原因分析及解決措施[J] .科技資訊,2015,4 (9):69-70.

[4] 王 元,劉忠宇.儲罐焊接變形與焊接應力的控制[J] .中國石油和化工標準與質量,2011,4 (4):90.

[5] 于景剛. 鎳基合金在碳鋼與不銹鋼焊接中的應用[J] .石油化工設備,2015,44 (3):63-65.

[6] 朱本智,胡 濤,閆化云.海上某油田井下潛油電泵的失效分析與控制建議[J].全面腐蝕與控制,2010,24 (7):41-44.

FractureFailureAnalysisofSubmersibleElectricPumpSeparatorforA8-1WellinLunguOilfield

SHENJianxin1,SHANQuansheng1,ZHOUHuaiguang1,SUNYuguo1,HEXianghui1,LIULanying1,KUANGXianren2

(1.PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an,Shaanxi710077，China)

Macroscopic examination, nondestructive inspection, chemical composition analysis, corrosion product analysis and metallographic examination were used competitively to investigate the reasons for the fractured separator in an ESP well of Lungu oilfield. The results indicated that chemical composition and mechanical properties of the fractured separator meet the technical requirements, and it′s corrosion product was CaCO3. The results of macroscopic examination, and metallographic examination showed that the fracture form of the separator was brittle fracture. The carbon steel electrode was used to weld the stainless steel and carbon steel, resulting in a cold crack at the root of the welding seam of the separator shell, and then fracture failure happened.

submersible electric pump; fractured separator; failure analysis

沈建新，男，1970年生，高級工程師，博士研究生，2012年畢業于中國石油大學(北京)，主要從事采油工程技術管理工作。E-mail: sjianxin-tlm@petrochina.com

TH38

A

2096-0077(2017)06-0071-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.018

2017-08-20

馬小芳)