抽油杆腐蚀缺陷形貌对寿命影响的研究

许猛 冯松

摘 要：抽油杆的服役条件是承受不对称循环载荷的作用和承受腐蚀介质的侵蚀作用，其中由于产生腐蚀坑而引起的断杆占到40%以上。目前没有一个标准来确定不同腐蚀程度的抽油杆是否能再利用。本文通过逆向工程，疲劳强度分析，数据处理等方法，提出了一套确定不同腐蚀程度对抽油杆剩余寿命影响的方法。

关键词：抽油杆;腐蚀;逆向工程;疲劳分析;数据处理;剩余寿命

引言

抽油杆是有杆抽抽油设备的重要部件。由抽油杆组成的抽油杆柱上接光杆，下接抽油泵柱塞，将地面上的抽油机的能量传到地下，带动井下抽油泵工作。抽抽杆的主要失效形式是疲劳断裂或者腐蚀疲劳失效。文献[1-3]均提到抽油杆腐蚀，可知抽油杆腐蚀是抽油杆发生疲劳断裂的源头。所以，研究抽油杆腐蚀坑对抽油杆服役期限的影响是非常重要的。

本文通过对带有腐蚀坑的直径为22mm的D级抽油杆（20CrMo钢）进行加工，采集抽油杆腐蚀坑处的断面图像，利用Matlab、Solidworks、Ansys、First Optimization、等找出腐蚀坑几何特征参数与抽油杆剩余寿命之间的关系。

1 信息提取模型建立

对带有腐蚀坑的抽油杆段在普通车床上进行车削加工，固定好相机，调好焦距，给三爪卡盘选好定位基准，每车削0.2mm停车一次并将三爪卡盘旋转到基准位置，进行拍照，利用MATLAB提取到端面图像信息并建立三维模型。如图2所示。

2 腐蚀坑对抽油杆强度的影响

分别建立轴向长度，径向深度与横向宽度其中一项不变而其他数据变化的三维模型，并导入到Ansys中进行有限元分析提取应力值表1模拟数据

表中的k，x，y为d=22mm的抽油杆上腐蚀坑模型的集合尺寸，k为轴向，x垂直于k，y为径向。

采用不同优化方法拟合表中所有数据，发现，准牛顿法（BFGS） +

通用全局优化法均方差（RMSE）： 0.054和相关系数（R）： 0.931最小，证明该方法最优。所以应力集中公式为

p1=10.0524;p2=-2.6040E-5;p3=-23211.3284;p4=0.0047;p5=-0.3369;

利用表中所得的結果对此数学模型进行检验

从表中数据百分差可以看出，函数模型所得的计算结果都大于模拟分析所得的结果，且在10%以内。综上，这个函数模型是正确的。

3 带腐蚀坑的抽油杆的剩余寿命分析

在交变负荷下，抽油杆往往是由于疲劳而发生破坏，而不是在最大的应力下破坏。所以抽油杆必须根据疲劳强度来进行计算。

实测一口井A使用CYJ5-1812抽油机，I=3.2m，r=0.74m，泵挂深度为808m，冲程S=2.7米。冲数n=9次/min，使用直径为22mm的D级抽油杆，原油密度为960kg/m3，油井含水高。抽油杆最大应力值为107.4MPa。

如果腐蚀坑处发生疲劳破坏，则其应力集中系数必须大于。

当应力集中系数小于3.82时，腐蚀坑处不会发生疲劳破坏，还可以安全服役的次数大于等于107次。下面计算当应力集中系数大于3.82时，抽油杆的剩余寿命与应力集中系数的关系。

该井的检修周期为2年，循环应力次数为N1=9.46×106次，可以认为腐蚀坑的应力集中系数是线性变化的，取从开始产生损伤的应力集中系数3.82和检测时的应力集中系数z的平均数作为估算此阶段的循环次数，约为次。从而就可以估算出杆的损伤程度，推知抽油杆的剩余寿命。安全系数1.1，得到抽油杆腐蚀坑处的应力集中系数与剩余寿命关系为

当3.82

当z<3.82时，其安全服役的次数大于等于107次。

4 结论

本文通过对20CrMo钢抽油杆的腐蚀坑模型的三维重建与模拟分析，找出了抽油杆腐蚀坑的长、宽和深对寿命影响的关系，这样通过这两项技术就可以判断被腐蚀的抽油杆是否能安全服役。

参考文献：

[1] 吴则中，李景文. 有杆抽油设备与技术[M]，北京：石油工业出版社，1994.

[2] 叶俊，姜炳卫. 中原油田金属设备腐蚀调查[J]，石油化工腐蚀与防护学报，1997：329-331.

（新东北电气集团高压开关有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110027）