抽油杆柱疲劳失效的热处理因素分析

陈菲菲

摘要：当今石油产业在不断的发展，为了提高生产的效率，加强我国原油的提取高效性，减小在石油的开采上的经济损失，我们需要对开采的技艺以及器件进行改造。本文就抽油杆由于疲劳失效的问题进行探讨，对其进行详细的分析，从失效的一些原因以及抽油杆柱的疲劳寿命进行了计算的探讨，使得石油开采过程中在抽油杆的使用上更加高效。

关键词：抽油杆 疲劳 失效 热处理

随着我国社会主义的不断发展和建设，我国对石油的需求正在逐年的增长，所以我们在进行石油开采的时候更要注重开采的高效性。我们在石油开采的过程中所使用的抽油杆，这是我们进行三抽设备的关键部件之一，因此我们在使用抽油杆的数量上也在不断增加。但是我们在使用抽油杆的时候要对其寿命进行分析，尤其在使用过程中出现的因为疲劳而导致的失效问题进行研究，进而实现石油开采的稳步发展。

1 抽油杆失效的原因探究

1.1 承受不对称的循环荷载造成失效

首先抽油杆的失效存在着荷载失效，其荷载主要是承受了抽油杆的重量、液柱的重量、抽油杆的柱以及液体的惯性载荷、还包括抽油杆在运动的时候产生的摩擦阻力，以及抽油杆在工作的时候所产生的一种震动荷载，这些都是造成的抽油杆产生出不对称的荷载，由于承受着这些不对称的循环荷载会造成抽油杆的失效。

1.2 抽油杆由于疲劳失效原因探究

首先我们可以看到在断口的地方会出现一圈圈的比较清晰的图线，例如图1所示，我们根据James的方法对最深点和表面两处的应力强度的因子进行探究，使用几何的方法测量出在裂纹前缘的坐标，回归出短半轴大小为a，长半轴的长度是b，我们在研究抽油杆的螺纹段的疲劳扩展面的时候要分析出其表面的裂纹规律。

1.3 裂纹的端口分析

抽油杆发生断裂的时候，我们要对起断裂部位的外螺纹的消失点进行分析，从其断口处图2所示，从图中可以看出来其裂纹主要是源于外螺纹的表面根部，有比较明显的台阶，它的扩展方向与最大的拉伸应力的方向垂直。我们从宏观上看不到纤维区，就表示这种的材质比较差，其韧性不够，具有比较脆性的疲劳断裂等特征。

1.4 金相组织分析探究

首先在抽油杆的断裂部位截取式样，然后在显微镜下进行观察可以得出，在裂纹的起源处外螺纹的根部处，在断口处呈现疲劳以及准解理混合断裂形貌。我们从金相的检验中可以发现有过热的现象产生，其纤维比较粗大，铁素体之间的弥散不够，从而导致了抽油杆在外螺纹的根部由于应力的集中而产生的疲劳裂纹之后，需要对其进行快速引起疲劳的准脆性的断裂而失效。2 抽油杆的受力分析探究

抽油机在工作的时候，抽油杆的承载能力，主要受到了三种的载荷分别是静载、动载和摩擦力。抽油杆我们可以从上述的三种载荷产生的共同破洞的拉升的应力下工作，在悬点最大的载荷发生上冲的过程，实现最小载荷发生下冲过程，其大小分别是：

W■=W■′+W′■+W■■1+■

W■=W■′+W■■1+■

其中Wmax表示抽油杆所受到的轴向力的最大力，Wmin表示的是抽油杆承受轴向力最小值，Wr表示抽油杆在空气中的重力，W■′表示的是抽油杆的液体重力大小， W′■表示的是动液面的深度，在全柱塞面的液柱载荷。S表示的是冲程，n表示的是冲次数，单位是次/min，r表示的是曲柄的半径，l则表示的是连杆的长度，根据上面的式子，我们可以通过■=■进行求解其最大和最小的应力以及应变。

抽油桿所承受最大轴向应力最大值是Qmax=■×10■，抽油杆所承受最小轴向应力最小值是Qmin=■×10■。抽油杆所承受轴向应变最大是ε■=■，抽油杆所承受最小轴向应变是εmin=■。

3 抽油杆的疲劳寿命估算方式探究

3.1 没有初始裂纹的抽油杆的寿命计算探究

我们在对无初始裂纹的抽油杆的疲劳寿命计算的时候根据修正的曲线获得疲劳寿命的计算方法，εc=ε■-ε■■+ε■-ε■■+ε■-ε■■2，在式子中εc表示的是循环总应变数。

3.2 有初始裂纹的抽油杆的疲劳寿命计算

我们采用Forman的模型进行计算，da/dN=cΔk■/1-rK■-ΔK式子之中，da/dN表示的是一般裂纹扩展的速度，a表示的是裂纹的长度，N表示的是应力循环的次数，就是我们所说的疲劳寿命，ΔK表示的是应力强度因子的变化幅度，其为最大的应力和最小的应力，期间应力强度的因子之差，K■表示的是应力强度的因子，R表示的是应力比例。根据积分，我们可以得出：N=■■-■■，当m=2的时候，N=In■/cF■Δσ■■。通过计算我们可以计算出抽油杆所受的轴向力和抽油杆的疲劳寿命，经过比较我们可以得到一个非常重要的结论：裂纹初始的长度对于整个抽油杆柱的使用寿命存在着严重的影响。

4 抽油杆的疲劳失效的控制对策

4.1 抽油杆的科学使用概述

首先我要根据油井的生产条件以及原油的性能进行选取抽油杆和附件，对于在泵挂深以及腐蚀性比较高的油井下我们应该选取K级的杆，保证抽油杆的应力大小要大于超高强度的拉油杆，在斜井应该尽量选取连续杆以及减少脱扣事故的产生。

4.2 优化组合抽油杆柱的研究

我们在进行不同油井选用拉油杆的设计程序的时候，要从会实际出发考虑拉油杆的抗疲劳的强度，减少断裂事故的发生。通过进行严格的设计检查，确保抽油杆柱的研究，实现抽油杆柱的安全性和稳定性，不断优化组合，达到抽油杆的合理使用。

4.3 更换抽油杆时使用台帐相关概述

我们通过台帐可以从根本上把握和了解抽油杆的服役条件以及累积工作和时间，并且要掌握使用的寿命，根据经验可以知道一般的抽油杆的使用寿命一般大概在3年，在3年之中抽油杆的实际承受循环的应力大概次数将近107次，当服役期满之后，我们要及时更换全部的抽油杆柱，不能够进行新旧混用或者是超期的服役。

4.4 建立起严格的回收和修复的管理措施探析

我们在回收抽油杆的时候要分清楚类别，要对其进行表面的缺陷以及内在的质量进行研究，从螺纹的连接性能和抗拉位的强度时进行检测，通过对器件的检测实现抽油杆的运动和存储，以此来减少事故的发送，切实地减少抽油杆的脱落。

4.5 运输和存储的规范性探讨

我们在进行抽油杆的运输和存储的时候，要确保其安全性，并且我们还要达到操作的规范性，当其到抽油杆下井之前要进行清洁，对其螺纹和接箍进行仔细的清洁，这个过程要有足够的预应力，我们要避免在抽油杆的运输和存储中发生腐蚀和弯曲。

5 结语

抽油杆柱的疲劳和腐蚀造成了抽油杆的失效，其主要的原因是由于热处理因素造成了疲劳，我们通过对表面进行观测，以及金相检测的时候均可以发现杆柱的断口出现疲劳以及准解理混合断裂面的断裂形貌，由于热处理的现象会影响晶体的分布，造成抽油杆在外螺纹根部因应力集中而出现了疲劳裂纹，并可以快速地扩展引起疲劳准脆性的断裂造成失效。

参考文献：

[1]段敬黎，祝效华，邓福成.抽油杆柱疲劳失效的热处理因素分析[J].石油矿场机械，2009，11：54-56.

[2]陈淑艳.抽油杆的疲劳失效分析与控制[J].中国西部科技，2009，30：15.

[3]单丙娟，李其.抽油杆的疲劳失效及疲劳寿命分析[J].内蒙古石油化工，2009，12：37-38.