潛油電泵氣體處理器失效原因探討

張雯搏

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

某油田有大量的潛油電泵井，在針對潛油電泵井進行檢泵作業起吊管柱的過程中發現，潛油電泵機組在氣體處理器位置出現斷脫現象。該油電泵機組累計生產作業時間已經達到了530 多天，井下的作業介質主要是油氣水混合液，潛油電泵的主要運行環境壓力為15～16 MPa，井下實際溫度可以達到150 ℃，電泵機組主要采用的是45#鋼。通過對該電動機組的斷裂位置進行觀察后發現，發生斷鏈的位置與下接頭相距20 cm，而且在氣體處理器表面發現了兩處穿孔。出現穿孔現象后電泵機組可能會導致整個生產井停產，嚴重的情況下甚至會造成安全事故發生，因此，必須對潛油電泵氣體處理器失效的原因進行深入分析，并采取合理措施進行防范，只有這樣才能充分保障油田潛油電泵井的安全運行。

1 失效潛油電泵宏觀狀況分析

將失效的2 根潛油電泵氣體處理器送檢分析。

樣品1 氣體處理器長度為102 cm，整體外觀呈現暗黑色，管體沒有發現明顯的腐蝕現象，整個分離器也沒有發生塑性形變，在潛油電泵氣體處理器的出氣孔附近發現了2 個穿孔位置。穿孔具體位置在氣體處理器與泵體連接的螺紋區域，穿孔位置在軸向的距離為40 mm，2 個穿孔沿著氣體處理器呈現出長條，2 個穿孔的長度分別為40 mm 和20 mm，寬度為10 mm 左右[1]。

送檢樣品2 整體的長度為195 cm，管體表面呈現出銹紅色，未發現明顯的腐蝕坑。對樣品觀察后發現，樣品面出現的斷口與潛油電泵內部葉輪片基本平齊，而且在斷口位置并沒有發生明顯的塑性形變。對斷面進行仔細觀察后發現，樣品斷面位置呈現出非常明顯的剪切唇形狀，而且斷裂是沿著其45°斜向出現，斷面位置塑性形變痕跡非常明顯。由此可以斷定，該斷面屬于韌性斷裂，且斷面呈現銹紅色，存在明顯的腐蝕現象。

2 結果與分析

2.1 幾何尺寸測量

對該潛油電泵殼體管壁厚度進行測量的儀器主要是超聲波測厚儀。測試發現，該泵外徑以及壁厚分布比較均勻，沒有出現明顯的塑性形變，符合潛油電泵生產廠家產品質量說明書中的相關規定。

2.2 無傷探測

根據無傷探測相關標準對兩個樣品的潛油電泵殼體表面實施了磁粉探傷，檢測發現，該泵殼體中并沒有產生裂紋。

2.3 化學成分分析

在檢測過程中針對樣品1 潛油電泵氣體處理器殼體、穿孔位置、樣品2 潛油電泵斷口進行分別取樣，并按照相關成分檢測標準使用ARL 4460 直讀式光譜儀進行了化學成分分析。檢測發現，該泵合體材料完全符合國家標準規定優質鋼材實際要求。

2.4 力學性能分析

針對樣品1、樣品2 潛油電泵進行了殼體取樣縱向拉伸實驗，殼體樣品具體規格為19.2 mm×50.0 mm。根據拉伸實驗相關國家標準規定，首先將其在室溫條件下實施拉伸試驗。試驗發現，樣品拉斷后其伸長率完全達到了45#鋼相關標準要求[2]。

然后分別在樣品1、樣品2 電泵殼體上取樣后進行硬度實驗，主要采取的是布氏硬度實驗方法。試驗發現，其殼體材料并沒有達到45#鋼材料硬度性能要求。

2.5 金相分析

從樣品1 潛油電泵氣體處理器殼體以及穿孔位置與樣品2電泵殼體以及斷口位置分別截取金相進行試驗。根據相關標準規定要求，金相試驗中主要采用MEF4M 金相顯微鏡分別對各個式樣組織、非金屬夾雜物、晶粒度進行觀察分析。通過觀察分析可以發現，潛油電泵的殼體組織主要是有珠光體以及鐵元素組成，而非金屬夾雜物等級分別為A0.5、B0.5 和D0.5，晶粒度實際等級達到80%的9.5 級以及20%的6.5 級。整體來看，晶粒度分布不均勻，內部部分組織呈現出粗大的現象。通過觀察可以發現，在穿孔以及斷口位置有明顯的組織變形現象，而且變形非常雜亂，由此可以斷定在這兩個位置發生了應力集中。

2.6 電鏡掃描分析

針對樣品1 潛油電泵穿孔位置以及樣品2 潛油電泵的端口位置進行取樣，然后使用TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡以及能譜分析對試樣外表面進行觀察和能譜分析。通過分析發現，樣品1 潛油電泵穿孔位置人體的微觀形貌比較均勻，而且沒有發現明顯的腐蝕物質；而樣品2 的端口位置通過顯微鏡觀察發現斷口位置組織有非常明顯的腐蝕產物膜，而且整體組織比較疏松。能譜分析結果表明，兩個樣品穿孔以及斷口位置組織的主要元素為碳、氧以及鐵，另外還存在少量的硫元素，由此可以推斷在穿孔位置存在碳酸鐵、氧化鐵等物質。另外，在樣品2 潛油電泵的斷口位置還發現了少量的硅、鈣，由此可以推斷在斷口位置存在碳酸鐵、氧化鐵、碳酸鈣、二氧化硅等腐蝕產物。

3 失效機理分析

3.1 穿孔失效分析

通過上述試驗以及分析結果可以知道，發生斷裂的潛油電泵氣體處理器殼體的外徑以及壁厚整體的分布比較均勻，而且在表面也沒有發現明顯的塑性變形；經過探傷檢測，在該潛油電泵的殼體外表面中也沒有產生裂紋等缺陷；而通過化學成分分析可以發現該潛油電泵的殼體材料完全滿足45#鋼相關標準的成分要求；而通過力學實驗可以發現該殼體材料拉伸性能以及布氏硬度與45#鋼材質相關標準要求不符合，一部分試樣在實際檢測過程中斷裂后實際的伸長率并沒有達到標準要求的伸長率下限；而通過金相分析可以發現，該試樣組織的主要成分為珠光體以及鐵元素，整體組織的晶粒度分布不均勻，而且部分組織呈現出粗大狀，而且在殼體的穿孔位置出現了明顯的組織變形現象。

樣品1 潛油電泵殼體表面穿孔都發生在螺紋連接處，而且整個穿孔貫穿了螺紋，由此可以推斷，樣品1 發生的穿孔現象與內螺紋有非常緊密的關系。通過對穿孔形貌進行觀察分析可以發現，在穿孔位置并沒有發現明顯的腐蝕現象，但是在殼體的內表面卻出現了輕微的腐蝕。結合穿孔位置可以確定，樣品1 殼體出現的穿孔主要是因為在該區域出現了穿透性裂紋，潛油電泵內部運行的介質通過裂紋穿刺出來，從而導致殼體出現穿孔。

3.2 斷裂失效分析

通過對樣品2 的斷口宏觀形貌分析可以發現，在氣體處理器螺紋消失的位置出現了斷口。氣體處理器的殼體與心部旋轉導輪之間存在一個不銹鋼內襯，該不銹鋼內襯的主要作用是對處理器內部進行防腐蝕保護。不銹鋼內襯與殼體內壁主要是通過機械方式進行連接，氣體處理器在運行過程中由于振動殼體內壁出現了滑動現象，使得不銹鋼內襯與內螺紋之間產生了間隙，液體進入了間隙中導致具體處理器殼體發生腐蝕現象，從而形成疲勞源，在長期的運行過程中最終導致斷裂。

4 結論和建議

（1）由于潛油電泵內螺紋出現了穿透性裂紋，使得沒有處在嚙合位置的內螺紋引起了潛油電泵殼體發生穿孔現象。可以通過減少內螺紋長度，使其與外螺紋達到吻合，這樣就能降低內螺紋為嚙合區域的應力集中現象。

（2）潛油電泵殼體內層發生腐蝕，而且組織的分布也不均勻，由此導致殼體出現疲勞斷裂。可以進一步強化電泵質量控制，定期對其進行抽檢。