空心抽油杆接箍开裂原因分析

2015-12-24张朋举魏晓娟张永红

石油管材与仪器 2015年5期

张朋举魏晓娟张永红

(1.中国石油吐哈油田分公司机械厂新疆鄯善 838202;2.中国石油吐哈油田吐鲁番采油厂新疆鄯善 838202)

0 引言

近年来，随着边际油田(稠油区块、高含蜡区块等)的规模开发，可通过空心抽油杆向井内注入热蒸汽、热水或热油、降粘剂和防腐剂，能有效地降低开采难度，可以增加分层开采计量层数［1～5］。某油井采用空心抽油杆泵上掺稀作业，进行稠油的开采。该井经过200 d 的正常运行后，发现掺稀压力发生变化。随即进行修井作业，将原井杆柱提起后，发现从井口向下第102 根空心抽油杆处，即井深为918 m 处的空心抽油杆接箍端发生开裂。开裂处的空心抽油杆规格是按照SY/T 5550 -2006《空心抽油杆》标准制造的规格为Φ36 mm，壁厚为6.5 mm。经调查，这种空心抽油杆杆头和接箍均采用独立加工的形式，应用摩擦焊接工艺进行生产。为了调查开裂的原因，以材料因素为主要分析方法，结合制造工艺和应用环境对该事故进行失效分析。

1 理化检验与分析

1.1 宏观形貌分析

开裂处的空心抽油杆接箍形貌如图1 所示，在接近空心抽油杆接箍大圆弧过渡处，距离端面距离10 mm 处发生开裂，如图2 所示。为了进一步观察开裂形貌，采用人工方式将剩余连接部分扳开，分离后如图3 所示。原始开裂部分约占到了该类型空心抽油杆截面积的2/3，人工断面部分约占到截面积的1/3。如图3 所示，裂纹起源于外壁，断口存在多条裂纹，裂纹均延伸至约1/2 壁厚处。

图1 接箍开裂实物

图2 裂纹部位放大

图3 人工断裂后实物

1.2 微观形貌分析

断口宏观形貌表明，该空心抽油杆接箍具有多处开裂的特征。该接箍开裂实际上是其危险面的外壁裂纹诱发扩展的结果。采用STEREOSCAN 440σ 扫描电镜对杆头的断口进行分析。对裂纹源起裂区处，如图4(a)所示进行观察发现了较为明显的韧性断裂现象，并且形成分层开裂现象，如图4(b)所示，出现开裂棱台，如图4(c所示。能谱分析表明，断口裂纹源区氧原子分数为61.1%、铁的原子分数为29.46%，发现断口已经被腐蚀。

1.3 基本测量

该类型的空心抽油杆，按照SY/T 5550 -2006《空心抽油杆》标准制造而成的，独立加工的接箍圆弧过渡处，图1 所示的大圆弧过渡处的标注值要求≥R5，实际的测量值达到了标准的要求，外径标准值为Φ(36 ±0.25)mm，实测外径平均值为Φ36.11 mm，符合标准要求。接箍断面距离焊缝的尺寸要求为14 mm ～16 mm，实际测量的尺寸为15 mm 均满足标准的要求。

1.4 化学成分分析

图4 断口微观形貌

分别在图1 所示的裂纹壁上截取试样，在接箍的母材处截取试样。采用GB/T 223 中规定的各种方法进行化学成分分析，结果见表1 所示，由于空心抽油杆标准为SY/T 5550 -2006《空心抽油杆》，规范性引用文件为GB/T 3077 -1999《合金结构钢》。该生产企业在制造过程中，选择35CrMo 钢为该型抽油杆的原材料。可见断裂的空心抽油杆接箍端，母材部分化学成分符合GB/T 3077-1999 标准的要求。经测定接箍开裂端的母材中C 元素的含量超出标准值0.022%，其他元素均符合标准值。

1.5 金相检测

杆头热处理工艺为调质处理，为了进一步判断金相组织状况。从断口位置截取试样，按照GB/T 13298 -1991《金属显微组织检验方法》对断裂处的金相采用Axiovert 40 MAT 型金相显微镜进行观测，对接箍母材端和开裂端进行金相检测，通过对比发现，如图5 中a 所示，接箍开裂端的组织偏析较为严重，先析出的相较多，而且呈现不均匀的现象。图5 中b 图显示，母材的组织形态符合调质处理工艺的显微组织形态。

图5 接箍端母材与开裂处显微组织

图6 接箍外表面精车后形貌

并根据GB/T 6394 -2002《金属平均晶粒度测定法》标准中的直线截点法评取试验材料的晶粒度［1］。实测母材端晶粒度为8.8 级，开裂处晶粒度为9.2 级。

表1 空心抽油杆杆头材料的化学成分(质量分数，%)

1.6 硬度检测

对开裂的接箍，采用圆周面硬度检测测试，分别截取开裂处圆周环和母材处圆周环，进行测试对比，其测试结果见表2。开裂端的数值明显低于母材端的数值，并且开裂端硬度数值起伏较大。

表2 实测硬度值

2 制造工艺与应用环境分析

2.1 接箍制造工艺

该类型的空心抽油杆接箍制造工艺流程如下:棒料锯切→钻孔→粗车→淬火→回火→精车。其中关键工艺部分为淬火+ 回火，淬火温度为850℃，回火温度为580℃，使用的淬火液为PAG 水基淬火介质。

2.2 油井工艺

该井为抽油机采油井，为典型的有杆采油系统。与常规采油井不同，该油井采油通过从空心抽油杆中掺入稀油，在井筒中与稠油混合降低原油粘度，掺稀比例为1:0.8，掺入0.8 m3稀油，抽出1.8 m3混合油。采用这种方式保证原油顺利举升至地面。

3 分析与讨论

根据对开裂空心抽油杆接箍的基本测量可以发现，所有的测量数据均符合制造标准的要求，没有发现明显的加工制造尺寸偏差。而根据化学成分分析发现，裂纹端C 元素含量略高于标准要求。相关资料显示在淬火冷却过程中，临界冷却速度与碳含量有关，低碳钢随碳含量增高，临界冷却速度将显著降低［6］。因为35CrMo可以归为亚共析钢范畴，当工件局部含碳量偏高时，临界冷却速度降低，会导致工件局部的淬火效果与工件其他部位不一致性增强，同时易引发淬火应力，相应的在回火过程中，回火组织没有达到更加理想的状态。而且在热处理过程中，淬火和回火温度和加热时间选择不当会加剧上述过程。从图5 就可以发现，开裂处的组织形态和均匀性不如母材处，导致该处力学性能下降，根据表2 就可以发现，开裂处的实测硬度值远不及母材处理想。因而连接强度降低。并且根据图2 中所示，可以发现该接箍的车削加工，刀痕非常的明显。同时图6 也表明，在开裂圆周方向上，车削刀痕为起裂裂纹源区，连接强度降低，因此形成了开裂，而开裂为韧性开裂过程，相关资料显示［7～10］，材料的韧性越好，疲劳扩展所用的时间越长。所以该空心抽油杆未完全断裂，而出现开裂现象。