潜油电泵气体处理器失效原因探讨

张雯搏

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

某油田有大量的潜油电泵井，在针对潜油电泵井进行检泵作业起吊管柱的过程中发现，潜油电泵机组在气体处理器位置出现断脱现象。该油电泵机组累计生产作业时间已经达到了530 多天，井下的作业介质主要是油气水混合液，潜油电泵的主要运行环境压力为15～16 MPa，井下实际温度可以达到150 ℃，电泵机组主要采用的是45#钢。通过对该电动机组的断裂位置进行观察后发现，发生断链的位置与下接头相距20 cm，而且在气体处理器表面发现了两处穿孔。出现穿孔现象后电泵机组可能会导致整个生产井停产，严重的情况下甚至会造成安全事故发生，因此，必须对潜油电泵气体处理器失效的原因进行深入分析，并采取合理措施进行防范，只有这样才能充分保障油田潜油电泵井的安全运行。

1 失效潜油电泵宏观状况分析

将失效的2 根潜油电泵气体处理器送检分析。

样品1 气体处理器长度为102 cm，整体外观呈现暗黑色，管体没有发现明显的腐蚀现象，整个分离器也没有发生塑性形变，在潜油电泵气体处理器的出气孔附近发现了2 个穿孔位置。穿孔具体位置在气体处理器与泵体连接的螺纹区域，穿孔位置在轴向的距离为40 mm，2 个穿孔沿着气体处理器呈现出长条，2 个穿孔的长度分别为40 mm 和20 mm，宽度为10 mm 左右[1]。

送检样品2 整体的长度为195 cm，管体表面呈现出锈红色，未发现明显的腐蚀坑。对样品观察后发现，样品面出现的断口与潜油电泵内部叶轮片基本平齐，而且在断口位置并没有发生明显的塑性形变。对断面进行仔细观察后发现，样品断面位置呈现出非常明显的剪切唇形状，而且断裂是沿着其45°斜向出现，断面位置塑性形变痕迹非常明显。由此可以断定，该断面属于韧性断裂，且断面呈现锈红色，存在明显的腐蚀现象。

2 结果与分析

2.1 几何尺寸测量

对该潜油电泵壳体管壁厚度进行测量的仪器主要是超声波测厚仪。测试发现，该泵外径以及壁厚分布比较均匀，没有出现明显的塑性形变，符合潜油电泵生产厂家产品质量说明书中的相关规定。

2.2 无伤探测

根据无伤探测相关标准对两个样品的潜油电泵壳体表面实施了磁粉探伤，检测发现，该泵壳体中并没有产生裂纹。

2.3 化学成分分析

在检测过程中针对样品1 潜油电泵气体处理器壳体、穿孔位置、样品2 潜油电泵断口进行分别取样，并按照相关成分检测标准使用ARL 4460 直读式光谱仪进行了化学成分分析。检测发现，该泵合体材料完全符合国家标准规定优质钢材实际要求。

2.4 力学性能分析

针对样品1、样品2 潜油电泵进行了壳体取样纵向拉伸实验，壳体样品具体规格为19.2 mm×50.0 mm。根据拉伸实验相关国家标准规定，首先将其在室温条件下实施拉伸试验。试验发现，样品拉断后其伸长率完全达到了45#钢相关标准要求[2]。

然后分别在样品1、样品2 电泵壳体上取样后进行硬度实验，主要采取的是布氏硬度实验方法。试验发现，其壳体材料并没有达到45#钢材料硬度性能要求。

2.5 金相分析

从样品1 潜油电泵气体处理器壳体以及穿孔位置与样品2电泵壳体以及断口位置分别截取金相进行试验。根据相关标准规定要求，金相试验中主要采用MEF4M 金相显微镜分别对各个式样组织、非金属夹杂物、晶粒度进行观察分析。通过观察分析可以发现，潜油电泵的壳体组织主要是有珠光体以及铁元素组成，而非金属夹杂物等级分别为A0.5、B0.5 和D0.5，晶粒度实际等级达到80%的9.5 级以及20%的6.5 级。整体来看，晶粒度分布不均匀，内部部分组织呈现出粗大的现象。通过观察可以发现，在穿孔以及断口位置有明显的组织变形现象，而且变形非常杂乱，由此可以断定在这两个位置发生了应力集中。

2.6 电镜扫描分析

针对样品1 潜油电泵穿孔位置以及样品2 潜油电泵的端口位置进行取样，然后使用TESCAN VEGAⅡ型扫描电子显微镜以及能谱分析对试样外表面进行观察和能谱分析。通过分析发现，样品1 潜油电泵穿孔位置人体的微观形貌比较均匀，而且没有发现明显的腐蚀物质；而样品2 的端口位置通过显微镜观察发现断口位置组织有非常明显的腐蚀产物膜，而且整体组织比较疏松。能谱分析结果表明，两个样品穿孔以及断口位置组织的主要元素为碳、氧以及铁，另外还存在少量的硫元素，由此可以推断在穿孔位置存在碳酸铁、氧化铁等物质。另外，在样品2 潜油电泵的断口位置还发现了少量的硅、钙，由此可以推断在断口位置存在碳酸铁、氧化铁、碳酸钙、二氧化硅等腐蚀产物。

3 失效机理分析

3.1 穿孔失效分析

通过上述试验以及分析结果可以知道，发生断裂的潜油电泵气体处理器壳体的外径以及壁厚整体的分布比较均匀，而且在表面也没有发现明显的塑性变形；经过探伤检测，在该潜油电泵的壳体外表面中也没有产生裂纹等缺陷；而通过化学成分分析可以发现该潜油电泵的壳体材料完全满足45#钢相关标准的成分要求；而通过力学实验可以发现该壳体材料拉伸性能以及布氏硬度与45#钢材质相关标准要求不符合，一部分试样在实际检测过程中断裂后实际的伸长率并没有达到标准要求的伸长率下限；而通过金相分析可以发现，该试样组织的主要成分为珠光体以及铁元素，整体组织的晶粒度分布不均匀，而且部分组织呈现出粗大状，而且在壳体的穿孔位置出现了明显的组织变形现象。

样品1 潜油电泵壳体表面穿孔都发生在螺纹连接处，而且整个穿孔贯穿了螺纹，由此可以推断，样品1 发生的穿孔现象与内螺纹有非常紧密的关系。通过对穿孔形貌进行观察分析可以发现，在穿孔位置并没有发现明显的腐蚀现象，但是在壳体的内表面却出现了轻微的腐蚀。结合穿孔位置可以确定，样品1 壳体出现的穿孔主要是因为在该区域出现了穿透性裂纹，潜油电泵内部运行的介质通过裂纹穿刺出来，从而导致壳体出现穿孔。

3.2 断裂失效分析

通过对样品2 的断口宏观形貌分析可以发现，在气体处理器螺纹消失的位置出现了断口。气体处理器的壳体与心部旋转导轮之间存在一个不锈钢内衬，该不锈钢内衬的主要作用是对处理器内部进行防腐蚀保护。不锈钢内衬与壳体内壁主要是通过机械方式进行连接，气体处理器在运行过程中由于振动壳体内壁出现了滑动现象，使得不锈钢内衬与内螺纹之间产生了间隙，液体进入了间隙中导致具体处理器壳体发生腐蚀现象，从而形成疲劳源，在长期的运行过程中最终导致断裂。

4 结论和建议

（1）由于潜油电泵内螺纹出现了穿透性裂纹，使得没有处在啮合位置的内螺纹引起了潜油电泵壳体发生穿孔现象。可以通过减少内螺纹长度，使其与外螺纹达到吻合，这样就能降低内螺纹为啮合区域的应力集中现象。

（2）潜油电泵壳体内层发生腐蚀，而且组织的分布也不均匀，由此导致壳体出现疲劳断裂。可以进一步强化电泵质量控制，定期对其进行抽检。