抽油杆常见断裂失效情况分析

摘要：抽油杆是抽油装置系统的重要组成部分，它在地上连接抽油机，在井下连接抽油泵，起传递动力的作用。断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法，记录了断裂的产生原因、扩散途径、扩散过程及影响裂纹扩散的各种内外因素。通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善生产工艺提供依据。

关键词：抽油杆；抽油装置系统；断裂失效；断口分析；采油装置 文献标识码：A

中图分类号：TE933 文章编号：1009-2374（2015）10-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0897

1 抽油杆的工作原理

抽油杆是采油装置的一个重要组成部分，它在地上连接抽油机，在井下连接抽油泵，起传递动力的作用。抽油杆分实心抽油杆和空心抽油杆两种，实心抽油杆国际上一般采用长度为：7.62m，即25ft；9.14m，即30ft；8m左右，而空心抽油杆通常采用8m长度。

抽油杆是抽油机-柱塞抽油泵举升系统中最薄弱的环节之一。在石油开采过程中，由于油液含水量不断变化，油液中腐蚀介质与日俱增，经常会因发生抽油杆断脱等事故而停产。

对于螺杆泵专用驱动抽油杆来说，它不仅需要承担驱动抽油杆的自身重量，同时要承载下层油液通过螺杆泵转子传递来的油液压力，还要承担上方电机给予的扭矩。因此，抽油杆是抽油装置中受力最为复杂的环节。

2 断裂发生的情况及种类

2.1 断裂的类型

根据断裂前金属材料产生塑性形变量的大小，可分为塑性断裂和脆性断裂。

塑性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。

脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。

塑性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。

2.2 断裂的方式

根据断裂面的取向可分为正断和切断。

正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆性断裂，也可能为韧性断裂。

切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，一般为韧性断裂。

2.3 断裂的形式

裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，一般韧性断裂也可为脆性断裂。

晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，沿晶粒边缘开裂，属脆性断裂。

2.4 断口分析

断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因、扩散途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各种因素，所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。在断口的分析中，各种断裂机制的提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。

2.5 宏观断口分析

断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。

纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。

放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。

剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。

2.6 微观断口分析

微观断口分析主要采用高倍电子显微镜对断口进行分析，在显微镜下，通过断口所呈现的不规则形状来判定断口形成机理，并把断口的形貌分析同断裂力学指标联系起来，系统地建立了断裂机制图，通过适当的断裂参数、力学参数或物理参数作为坐标系，用它来确立各种可能出现的微观断裂机制的区域，以便发现各类金属断裂的普遍规律，这对解决一些工程断裂问题十分有用。断裂机制图对工程设计、材料选择、使用条件的限制以及失效分析等都能提供十分重要的指导性意见和数据资料。

3 断裂在抽油杆使用过程中易出现的情况

在抽油杆的使用过程中必然会出现这样或那样的井况不稳定等因素，这些因素将直接导致抽油杆在杆体处或连接接头处发生断裂。

3.1 原材料原因导致的断裂

抽油杆在生产过程中存在误检、漏检、未检出，致使材质存在问题的原材料投入到生产线中，使成品抽油杆达不到标准要求的许用应力值，当抽油杆下放到井中后，无法承载设计要求而发生断裂。例如：杆体轧制过程中内部产生微裂纹源，经过热处理后，极易使微裂纹源长大，扩展并开裂，直接导致井下事故的发生；杆体存在褶皮，使内表面径向截面积变小，导致杆体所受应力不均匀，局部应力过大，超出杆体局部承载能力最终产生断裂。

3.2 抽油泵卡泵

抽油泵在井下由于某种原因而无法完成冲程动作时，将会使抽油杆断裂位置的上下部分发生向两个方向的应力施加，上部分在做下冲程过程中有向下的应力，而下部分由于卡泵原因无法继续向下做下冲程，使断裂位置发生弯曲，产生弯矩，在断裂位置弯矩超过允许值。对于螺杆泵来说，在卡泵位置发生螺旋卡死，而使转子不发生旋转，而地上电机仍然在进行旋转扭矩的施加，使驱动抽油杆在断裂位置发生上下两部分扭矩方向相反而发生断裂。此两种断裂多为塑性断裂。

3.3 抽油机重新启动

每当抽油机重新启动时都会产生拉应力或扭矩的峰值，这个峰值会比正常作业稳定值高2～3倍，远远超出产品许用应力值及扭矩值而发生抽油杆断裂，此种断裂多为脆性断裂。

3.4 井斜

在进行钻井过程中，由于地层的限制，必然会出现某一深度无法使井严格地垂直于地面，即在某一深度会与垂直线存在一个角度，这一深度即为拐点，在此处抽油杆将会发生弯曲，此时便使抽油杆在不断地承受一面为拉应力，而另一面承受压应力，在拉压应力交汇处将会产生一个剪应力，在这种情况下，抽油杆多在这个交汇处发生断裂。断口多为由于长期受交变载荷作用而产生的疲劳断口。在宏观断口表面可以看到疲劳断口的特征—疲劳辉纹。

3.5 腐蚀

近年来，由于石油开采技术的提高，在石油开采过程中会添加一些化学药剂，同时井下油液中也会含有某些腐蚀介质，这些化学物质对于抽油杆具有一定的伤害，对抽油杆具有腐蚀作用，明显的特征为杆体表面可以看到腐蚀后产生的凹坑。由于抽油杆在工作过程中必然受拉应力作用，在拉应力及腐蚀介质共同作用下，产生了应力腐蚀断裂。且应力腐蚀断裂速率为各种断裂中最快的断裂。

3.6 偏磨

当井的斜度超过一定角度时，抽油杆在杆体或接箍部分与油管壁发生磨擦，使局部应力值增大，加大了抽油杆的负载，抽油杆的承载超出许用应力值而发生断裂。明显能看到发生偏磨的部分比其他部分光亮。

4 结语

由于抽油杆在采油装置中在地上连接抽油机，在井下连接抽油泵的重要地位，为避免抽油杆频繁发生断裂，得出以下结论：（1）严控原材料的把关，杜绝存在问题的原材料进入生产序；（2）开发新型抽油杆，提高抽油杆的抗腐蚀能力；（3）研发新工艺，提高抽油杆的抗疲劳强度；（4）在斜度比较大的井中采用短节连接的方式，减少抽油杆所承受的交变载荷。

参考文献

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[2] 李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防[M].北京：石油工业出版社，1999.

[3] 李玉清，关云，夏晓玲.5Cr21Mn9Ni4N奥氏体耐热钢中的晶界Cr_2N[J].电子显微学报，1998，（1）.

作者简介：张强（1984-），男，黑龙江哈尔滨人，渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司助理工程师，研究方向：机械加工。

（责任编辑：黄银芳）