浅析抽油杆柱疲劳失效的热处理因素

胡博 周洋 伏林钧

摘 要：抽油杆是石油开采三抽设备中不可或缺的关键部件，故其作用不容忽视，数量更是与日俱增。但在实际应用中，往往因抽油杆柱发生断脱而影响石油开采效率和效益，其中热处理质量对其疲劳失效有着较大影响。对此，本文对抽油杆柱疲劳失效的热处理因素进行了分析，并就其控制措施进行了探讨。

关键词：抽油杆柱；疲劳失效；热处理因素

在石油开采过程中，抽油杆时常会因失效而影响作业进度，增加经济损失，其中疲劳、腐蚀、磨损是失效的常见形式。因此为进一步提高石油生产效率，改善提取原油的高效性，并减少不必要的资金支出，就必须对抽油杆柱疲劳失效的原因加以分析，尤其是其热处理因素，以此寻求有效措施实现抽油杆的高效耐用，进而促进石油开采稳步进行。

1.抽油杆柱疲劳失效的热处理因素

为了解热处理因素对抽油杆柱疲劳失效的作用机理，在此以某采油厂的抽油杆断杆为例，结合其断裂部位、服役期限、循环周次以及生产泵型、动液面高、冲程长度、下泵深度、抽油杆柱等级、数量等相关情况，作了如下探究：

1.1.对断杆荷载强度的分析

有时抽油杆柱承受荷载不对称也会致使其出现疲劳失效，因此为进一步验证热处理因素对抽油杆柱疲劳失效的影响，有必要对其荷载强度进行分析。即根据公式 和 计算其最大荷载和最小荷载，其中 、 、 分别代表液柱荷载、杆柱荷载和动荷载，代入相关数据后得到其最大应力和最小应力分别为156.9和40.5（MPa），最后得知应力幅在允许范围内，故其其设计强度与相关要求相符。

1.2.对断杆断口情况的分析

观察抽油杆断口宏观形貌发现（见图1），该断口平齐，无明显的辉纹特征和塑性变形；裂纹从外螺纹根部开始，台阶明显，且扩展方向与拉伸应力的最大方向保持垂直状态；同时2/3的抽油杆截面均为断裂区，且其中结晶状的剪切唇和放射区较为明显，但并未观测到纤维区，故该材料具有较差的韧性，并受到了较大的疲劳应力[1]。随后经特殊处理后，对其微观形貌也作了认真观察和分析，结果发现，其裂纹起源、扩展区以及断裂区均较为平整，而断裂机理主要为混合断裂机构，且伴有准解理的二次裂纹花样，由此可以判断，其的形成与氢脆、淬火不佳或回火过热有关，进而导致钢的韧性和塑性降低，而脆性得到了增强；同时位于螺纹根部的裂纹，应该是由过热导致的，如此一来，其会明显降低材料性能，并缩短其使用寿命，若遇到动荷载，其影响会更为凸显。同时在对抽油杆断裂位置截取了合适的金相试样（见图2），经显微镜观察后发现，其组织相对粗大，为正火态的铁素体与珠光体，故韧性较差。此外还在其硬度检测中得知，该抽油杆内外具有不均匀的硬度。

图1 断口宏观形貌 图2 金相组织结构

由上可知，抽油杆柱的疲劳失效与热处理因素关系较大，概括的讲，主要是因热处理过程中的过热现象对材料的晶粒分布产生了影响，以致于弱化了杆柱的塑性和韧性，导致其外螺纹根部由于应力相对集中而产生疲劳裂纹，并经快速扩展后发生了准脆性疲劳断裂失效。

2.抽油杆柱疲劳失效控制方法分析

2.1.规范热处理工艺

鉴于抽油杆柱的热处理工艺对其材料性能影响较大，故应基于完善的热处理制度规范工艺操作，以免因热处理不当降低抽油杆柱的塑性、韧性和使用寿命[2]。通常调质钢在完成热加工后，必须借助预备热处理工艺降低其硬度，以消除组织缺陷，便于切削加工；然后需要进行的是淬火与高温回火等最终热处理工艺，通常为防止出现热处理缺陷，往往要求淬火具有较慢的冷却速度，若其强度较高，则建议采用温度较低的回火处理工艺。如在对40Cr合金钢进行热处理时，通常需要参考下述规范标准，退火工艺需要采用随炉冷却方式，加热温度和保温时间适宜控制在850℃和120mim左右；正火工艺需要采用空冷方式，加热温度和保温时间适宜控制在850℃和120mim左右；淬火工艺需要采用油冷方式，加热温度和保温时间适宜控制在850℃和80mim左右；而回火工艺则有低温、中温和高温之分，虽均采用空冷方式，但选用的具体温度和保温时间不尽相同[3]。完成热处理操作后，我们应借助洛氏硬度结合金相观察（制备-磨光-机械抛光-显露组织-显微观察），对热处理后的材料性能进行测试。若存在缺陷，则要采取合理有效的热处理修复工艺加以补救，以此最大程度的降低热处理因素对抽油杆柱疲劳失效的影响。

2.2.注重科学使用和管理

抽油杆柱的疲劳失效控制仅靠强化热处理工艺管理是不够的，毕竟其在使用过程中还会受到其他因素的干扰，因此学会科学使用，加强日常管理也十分关键。这就要求我们合理分析其涵盖动载力、静载力、摩擦力在内的受力情况，并根据有无初始裂纹状态下的疲劳寿命计算公式合理估算抽油杆柱的理论寿命，在此基础上采取针对性措施以期最大限度的避免抽油杆柱出现疲劳失效[4]。如切实做大安全运输、规范存储，投入使用前仔细清洁其接箍和螺纹，并施加一定的预应力，以免其发生弯曲和腐蚀；针对具有一定倾斜度的油井，建议采用连续杆，以便降低脱扣事故；若油井泵挂较深或腐蚀性较强，建议选用K级杆，并结合其抗疲劳的实际强度值加以优化组合，以此使其更为安全稳定，防止出现断裂事故；同时建立完善的抽油杆柱修复和回收制度，并通过定期检测性能、循环周次统计、服役条件分析、使用寿命估算等，予以及时维修和更换，以此降低因抽油杆疲劳失效带来的不利影响。

结束语：

总之，抽油杆柱出现疲劳失效在石油开采过程中时有发生，其中热处理不当会影响其晶粒分布，进而提高杆柱的脆性引发疲劳失效。因此要想延缓其疲劳失效的时间，我们不仅要有效控制其热处理工艺，也要对其受力情况和疲劳寿命加以分析，以此加强管理和维护，促进其工作效率的提高和使用寿命的延长。

参考文献：

[1] 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，2011（12）.

[2] 周瑞芬.抽油机井抽油杆失效问题的损伤力学研究[D].东北石油大学，2011（05）.

[3] 姚红星，柳春图.抽油杆裂纹扩展的实验研究和剩余疲劳寿命的预测[J].机械强度，2010（23）.

[4] 陈淑艳.抽油杆的疲劳失效分析与控制[J].中国西部科技，2010（09）.

作者简介：

胡博（1987-）男，汉，天津大港人，渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，助理工程师，本科学历，材料科学与工程方向。

周洋（1985-）男，汉，湖南常德人，渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，助理工程师，本科学历，机械制造方向

伏林钧（1984-）男，汉，四川广元人，渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，助理工程师，本科学历，机械制造方向