HL级35CrMoA抽油杆杆体失效分析

徐蔼彦，陈举涛，袁良帅，王 军，姬丙寅

（1.西安三维应力工程技术有限公司，西安710061；2.中国石油长庆油田分公司 物资供应处商检所，陕西 咸阳712000；3.中国石化西南油气分公司 物资供应中心，四川 德阳618000）

HL级35CrMoA抽油杆杆体失效分析

徐蔼彦1，陈举涛2，袁良帅3，王 军1，姬丙寅1

（1.西安三维应力工程技术有限公司，西安710061；2.中国石油长庆油田分公司 物资供应处商检所，陕西 咸阳712000；3.中国石化西南油气分公司 物资供应中心，四川 德阳618000）

为了研究分析某厂HL级35CrMoA抽油杆杆体失效原因，对失效抽油杆进行了宏观形貌观察和化学成分分析，并对其显微组织和断口形貌进行了分析和有限元计算。结果表明，该抽油杆的失效模式为典型的腐蚀疲劳断裂，显微组织主要为回火索氏体+铁素体；疲劳裂纹源于杆体表面腐蚀坑处，疲劳裂纹沿针状组织扩展；在拉伸载荷下，凸缘与杆体截面突变处应力水平相对较高，最终导致腐蚀疲劳失效。最后，提出了预防抽油杆失效的措施，为油田减少同类失效的发生提供重要的理论依据。

35CrMoA；抽油杆；疲劳失效

Abstract:In order to study the failure reason of HL grade 35CrMoA sucker rod body,the macroscopic observation and chemical composition analysis were conducted,and its microstructure and fracture morphology were analyzed and carried out finite element calculation.The result showed that the failure mode of the sucker rod was the typical corrosion fatigue fracture,and the microstructure mainly composed of tempered sorbite and ferrite;the fatigue crack derived from the corrosion pit of the sucker rod body surface,and the fatigue crack propagated along the acicular structure；under tensile load,the stress level was relatively high on the flange and the sucker rod body section mutation，eventually caused corrosion fatigue failure.Finally,the measures to prevent the failure of sucker rod were proposed,which will provide important theoretical basis for reducing the occurrence of the same kind of failure in oil field.

Key words:35CrMoA;sucker rod;fatigue failure

近年来，由于各国对石油需求量的增加，抽油杆作为有杆抽油设备的重要组成部件，高强度HL级抽油杆的使用量在逐年增加[1-3]。在抽油杆提升和下降过程中，受拉－压疲劳应力和原油腐蚀，很容易造成腐蚀疲劳断裂[4-6]。而每次抽油杆发生断裂后，都需要进行打捞和更换抽油杆，这样不仅增加了设备投资和维修作业费用，而且还造成了原油开采停产，给油田带来巨大的经济损失[7-10]。

因此，有必要对抽油杆的失效做出正确的分析，找出断裂原因，并能在其失效前及时做出反应，达到预防目的，并对抽油杆的合理使用，减少抽油杆断裂事故，降低采油成本，提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，对进一步提高油田的工作效率和经济效益具有十分重要的意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用HL级Φ25 mm 35CrMoA抽油杆，在井下服役235天后，杆柱运行1.0×105次，达到额定寿命（1×107次）的10%，距井口第27根3/4抽油杆处发生杆体断裂。最大载荷137.9 kN，最小载荷67.5 kN，交变载荷70.4 kN，可见交变载荷较大。通过对失效抽油杆宏观形貌观察、金相组织和有限元分析，找出该抽油杆的失效形式和失效原因。

1.2 试验方法

在断裂抽油杆断口附近切取试样，采用直读光谱仪进行化学成分检测试验。截取断口表面试样，使用扫描电子显微镜观察断口形貌，并对裂纹源腐蚀坑中的腐蚀产物做能谱分析。从断口裂纹源处截取金相试样，用砂纸逐级打磨并抛光。用4%硝酸酒精溶液腐蚀，依据GB/T 13320—1991，采用光学显微镜观察其显微组织形貌。采用ANSYS有限元分析抽油杆受力及失效原因。

2 试验结果与分析

2.1 宏观形貌

图1所示为断裂抽油杆样品宏观形貌。由图1（a）可见，试样从接近镦粗杆体处断裂，测量得断裂位置距凸缘120 mm，距断口8 mm处可以看到卡瓦夹痕；由图1（c）可见，试样表面有大量腐蚀坑，最大深度为0.08 mm，大量腐蚀坑造成抽油杆强度下降，加剧抽油杆断裂；由图1（b）可见，裂纹源于外表面腐蚀坑处，裂纹扩展初期断面比较细腻，有明显的贝纹线，向内扩展逐渐变粗糙，最后的瞬断区呈45°斜断口，是典型的腐蚀疲劳断裂，瞬断区外圆环向周长约占50%以上，瞬断区面积约占1/4断口横截面。

图1 断裂抽油杆宏观形貌

2.2 化学成分

断裂抽油杆化学成分检测结果及标准要求见表1。由表1可以看出，各化学元素含量符合GB/T 26075—2010要求。

表1 化学成分分析结果

2.3 断口分析

对断裂抽油杆试样表面腐蚀坑处的腐蚀产物进行能谱分析，结果如图2所示。由图2可以看出，试样表面的腐蚀产物中Fe、O、C、S、Cr元素含量较高，K、Cr、Cl含量次之。断裂抽油杆断口表面的腐蚀产物中除含有大量Fe的氧化物外，还有较多的CO2、H2S、Cl-以及各种盐类物质。可见，腐蚀环境中同时含有H2S和CO2等介质，Cl-具有催化作用，可加速抽油杆的点蚀、均匀腐蚀和SSC应力腐蚀开裂的形成，是断裂的主要原因。

图2 表面腐蚀坑处能谱分析结果

2.4 显微组织

断裂抽油杆断口附近显微组织形貌如图3所示。由图3可以看出，显微组织为回火索氏体+少量针状铁素体。

图3 抽油杆附近断口附近组织形貌

2.5 受力分析

采用ANSYS软件对Φ25 mm HL级抽油杆进行受力分析。所用参数为弹性模量2×105MPa，泊松比0.3，屈服强度793 MPa，抗拉强度965 MPa。工程应力－应变曲线如图4所示，采用转化的真实应力－应变曲线，建立二维弹塑性分析模型，有限元网格图如图5所示。

图4 抽油杆工程应力－应变曲线

图5 有限元网格图

抽油杆接头上扣后施加轴向拉伸载荷，大小采用SY/T 5029—2013中规定的疲劳试验载荷540 MPa，计算结果如图6所示。在拉伸载荷下，凸缘与杆体截面突变处应力水平相对较高，计算结果与实际断裂情况相符。应力集中是造成抽油杆断裂的主要因素，因此可得，在腐蚀介质和交变应力共同作用下造成抽油杆应力腐蚀疲劳断裂，这也是该油田大量抽油杆在此处断杆占比高的原因。

图6 抽油杆在拉伸状态下的应力云图

3 预防抽油杆失效措施

（1）科学使用抽油杆。首先，必须根据油田现场油井的生产条件和原油性能选用抽油杆，对于超深、超高温、超高压油井应选用HL级超高强度抽油杆；其次，斜井尽量选用连续杆，减少断脱事故的发生。

（2）优化组合抽油杆。设计抽油杆杆柱时，应从实际出发考虑拉油杆的抗疲劳强度，不断优化组合，实现抽油杆的安全性和稳定性，达到合理使用的目的。

（3）下井前检查抽油杆。抽油杆质量的好坏直接影响其使用寿命，下井前，必须根据相关标准对抽油杆进行质量检测，确保下井的抽油杆100%合格，对油田经济效益有着至关重要作用。

（4）记录更换使用台帐。对下井的抽油杆进行记录，通过台帐从根本上获知抽油杆的服役条件和累计工作时间，准确掌握使用寿命。

（5）建立检测与修复制度。制定合理完善的检查周期，出现问题及时修复或更换新杆。对于回收的抽油杆不仅要进行清洗分类，还需要对表面缺陷、理化性能等项目进行全面检测，以消除事故隐患。

（6）运输储存时规范操作。严格执行抽油杆运输和存储操作规范，避免抽油杆在运输、储存过程中腐蚀或弯曲。

4 结 论

（1）本次抽油杆失效的主要原因是应力腐蚀开裂引起的腐蚀疲劳断裂。

（2）发生应力腐蚀开裂的主要原因与断裂抽油杆外表面腐蚀产物中含有Fe、H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质、断裂部位存在应力集中有关。

（3）失效抽油杆的化学成分及显微组织等常规性能检测结果满足相关标准要求，所以常规性能质量不是造成失效事故的主要原因。

（4）预防抽油杆失效措施的实施，将减少同类失效的发生。

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HL Grade 35CrMoA Sucker Rod Body Failure Analysis

XU Aiyan1,CHEN Jutao2,YUAN Liangshuai3,WANG Jun1,JI Bingyin1
（1.Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710061,China;2.Commodity Inspection Institute affiliated to Material Supply Department， CNPC Changqing Oilfield Branch， Xianyang 712000， Shaanxi,China；3.Equipment Supply Centre in Southwest Exploration Bureau of SINOPEC,Deyang 618000， Sichuan， China）

TE933.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.006

2017－03－06

编辑：李红丽

徐蔼彦（1988—），女，硕士，主要从事石油管管柱力学仿真与失效分析研究。