35CrMoA抽油杆失效原因分析

张旺宁，王 磊，刘西西，刘 彦，吕庆钢，姬丙寅，史交齐

1.中国石油长庆油田分公司工程技术管理部 （陕西 西安 710000）

2.中国石化西北油田分公司物资供应管理中心 （新疆 轮台 841600）

3.西安三维应力工程技术有限公司 （陕西 西安 710075）

随着油田开发进入高含水期[1]，许多油井由自喷式油井转为机械采油井，而机械采油井中有杆泵采油方式占90%以上，抽油杆是有杆泵采油系统中的重要组成部分[2]。由于抽油杆长期承受交变载荷的作用[3]，加之井内液体腐蚀[4]、作业施工起下杆柱等原因，从而造成抽油杆失效[5]。如果抽油杆发生断裂，就需要进行打捞、更换抽油杆的修井作业，不仅影响油井的原油产量，而且还将增加油井作业费用，使采油成本上升。

因此对失效抽油杆进行失效原因分析[6]，对防止失效事故的发生，进一步提高抽油杆服役的安全可靠性意义重大。

1 抽油杆概况

某井机抽油杆柱自下而上为：柱塞+25.4 mm（1″）抽油杆2根+变丝+22.22mm（7/8″）抽油杆1206m+变丝+25.4mm（1″）抽油杆562m+调整短节+25.4 mm（1″）抽油杆2根+Φ38 mm光杆。泵型为CYB-70/32（5级间隙长冲程），泵深为1 800 m，泵常数为4.37，工作制度为4.2×3次/min，泵排量为55.06 m3，配套抽油机为16型抽油机，抽汲混合液黏度为1 600 mPa.s，理论安全最大抽深为1 600 m，22.22 mm（7/8″）应力范围比为98.6%，25.4 mm（1″）应力范围比为94.8%，调防冲距为0.4 m。

该抽油杆2017年1月19日首次入井，2018年1月4日发生断杆事故，断裂位置距井口640 m，运行寿命350d。该井于2017年12月13日计量分离器出口监测硫化氢浓度为33 997.22 mg/m3。

通过对现场取回来的失效抽油杆样品进行宏观形貌、化学成分、金相组织、力学性能、断口腐蚀产物及载荷分析，找出该抽油杆失效形式及原因。

2 试验结果与分析

2.1 宏观形貌

图1为断裂抽油杆的宏观形貌，可以看出断裂位置距离卸荷槽为196 mm，台肩有多处磨损痕迹，扳手方和杆体有较多纵向和横向机械损伤痕迹。断口形貌如图2所示，断口有明显的3个区域，分别是疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和最后瞬断区[7]。裂纹扩展前期断面较为平整，扩展后期断面变得越来越粗糙，最后瞬断区形成45°剪切唇[8]，且裂纹起源于外表面腐蚀坑处。此外，从断口还可以看到，瞬断区环向约占外圆周长的2/3，瞬断区面积约占断口横截面的1/4。

图1 断裂抽油杆宏观形貌

图2 断口宏观形貌

2.2 化学成分

断裂抽油杆化学成分测试结果及标准要求见表1。从表1可以看出，35CrMoA抽油杆中各元素化学成分符合GB/T 26075—2010标准的要求。

2.3 金相组织

断裂抽油杆断口附近显微组织如图3（a）、（b）所示，组织为回火索氏体+少量铁素体。断裂抽油杆的夹杂物形貌如图3（c）所示，夹杂物等级见表2，可知夹杂物等级较低。

2.4 力学性能

对断裂抽油杆进行洛氏硬度测试，测试结果见表3，测试点分布见图4。从表3可知，杆体心部洛氏硬度值（34.9HRC）较低，远离心部靠近边缘的洛氏硬度值（平均值为35.3 HRC）较高。

对断裂抽油杆的冲击和拉伸性能分别进行检测，检测结果见表4和表5。由检测结果可以看出冲击和拉伸性能均符合SY/T 5029—2013标准要求。

2.5 断口分析

裂纹源附近形貌如图5所示。从图5（a）可以看到，断杆外表面尤其裂纹源所在轴向截面腐蚀最为严重；从图5（b）可以看到，裂纹扩展区有贝纹线[9]，符合疲劳断口特征；从图 5（c）～（e）可以看出，放射状台阶区及河流花样的解理断裂平台，说明抽油杆的断裂为脆性解理断裂。此外，还可以看出断口表面有泥状花样、发纹（微裂纹），符合应力腐蚀断口特征。

表1 断裂抽油杆化学成分分析结果 /%

表2 断裂抽油杆夹杂物评定结果

表3 断裂抽油杆洛氏硬度测试结果 /HRC

图3 断裂抽油杆金相组织

表4 断裂抽油杆冲击试验结果

图4 硬度测试示意图

图5 断口表面能谱分析（SEM）形貌

对裂纹源腐蚀坑底、裂纹源附近及远离裂纹源断口表面腐蚀产物进行能谱分析，分析结果见表6。能谱分析结果表明，裂纹源腐蚀坑底、裂纹源附近腐蚀产物中S元素（或O元素）含量很高，且明显高于远离裂纹源断口表面。

对断裂抽油杆失效断口腐蚀产物进行了X射线衍射（XRD）分析，分析结果见图6和表7，XRD分析结果表明，失效断口的腐蚀产物中存在FeS和FeCO3等腐蚀产物。

3 断裂原因综合分析

3.1 材料理化性能

根据对失效杆样品的化学分析、力学性能和金相组织等性能检测与分析，未发现超标项目，其结果均符合供货质量保证书和相关标准要求，所以材料性能不是造成此次失效事故的主要原因。

3.2 抽油杆断裂失效原因

图6 腐蚀产物XRD图谱

表5 断裂抽油杆拉伸试验结果

表6 腐蚀产物能谱分析结果 /%

从失效试样外观形貌来看，抽油杆杆体表面有大量呈随机排列的腐蚀坑。从断口宏观形貌来看，断口区域分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和最后瞬断区。裂纹扩展前期断面较为平整，扩展后期断面较粗糙，最后瞬断区形成45°剪切唇，且裂纹起源于外表面腐蚀坑处。从微观形貌看，裂纹扩展区有贝纹线特征，具有疲劳特征，放射状台阶区及河流花样的解理断裂平台，断口表面有泥状花样、发纹（微裂纹），具有应力腐蚀断口特征，因此推断该抽油杆断裂失效原因为腐蚀疲劳断裂。

从腐蚀产物看，裂纹源腐蚀坑底、裂纹源附近腐蚀产物中S元素（或O元素）含量很高，且明显高于远离裂纹源断口表面。失效断口腐蚀产物XRD分析表明，失效杆的腐蚀产物中存在FeS、FeCO3和Fe2O3等，所以腐蚀与S元素有关。至于有无其他腐蚀类型（如CO2、O元素腐蚀等），由于现场提供的资料有限，目前无法确认或排除，如果井液中含有这些腐蚀介质，不排除多种腐蚀方式综合作用诱发的点腐蚀。

从失效机理来看，抽油杆表面保护层（防锈漆、喷丸层等）破坏处首先发生腐蚀，并形成深浅不一的腐蚀坑，在拉-拉交变载荷作用下，从最深的腐蚀坑底起裂并扩展，最终导致抽油杆发生断裂。

3.3 引起腐蚀疲劳断裂的主要因素

3.3.1 材质因素

图7 断杆前功图

材质因素是造成抽油杆断裂事故频发的本质原因，材质选择的正确与否，对抽油杆断裂至关重要。根据已有的研究表明，30CrMoA的力学性能和疲劳寿命均优于35CrMoA，2种抽油杆中30CrMoA的综合性能更优。本次失效的抽油杆材质为35CrMoA，相较30CrMoA疲劳性能较差。

3.3.2 腐蚀因素

根据提供的资料，2015年4月1日该井开始注水，2017年2月3日开始第1轮次的注气，9月开始第2轮次注气，注入水和注入气过程中均存在氧。且该井于2017年12月13日计量分离器出口监测硫化氢浓度为33 997.22 mg/m3，井液中H2S含量较高，断口能谱分析证实腐蚀产物中含有较高的S元素和O元素，断口腐蚀产物XRD分析证实存在FeS、Fe2O3等，表明抽油杆受到H2S、O元素等综合腐蚀作用。

3.3.3 载荷因素

该井泵挂较深（1 800 m），稠油黏度较高，因此杆柱自重及摩阻均较大，如图7所示。功图显示抽油杆承受拉-拉交变载荷，杆断前2 d的冲程为4.3 m，最大载荷为140.0 kN，最小载荷为37.0 kN，交变载荷为103 kN，上、下冲程曲线波动较大。表明抽油杆在承受拉-拉循环载荷的同时，还承受振动载荷，振动载荷一方面增加了抽油杆的循环周次，另一方面增大了抽油杆承受的载荷，导致抽油杆疲劳寿命大大缩短。

4 结论与建议

1）本次抽油杆断裂失效事故的主要原因是腐蚀疲劳。

2）在井液的腐蚀作用下，抽油杆表面保护层（防锈漆、喷丸层等）破坏处首先发生腐蚀，并形成深浅不一的腐蚀坑，在拉-拉交变载荷作用下，从最深的腐蚀坑底起裂并扩展，最终导致抽油杆发生断裂。其断裂失效事故的主要原因是腐蚀疲劳，为了防止事故的再次发生，建议采用抗腐蚀性能较好的30CrMoA替代目前的35CrMoA材质。