30CrMoA HL 级抽油杆断裂失效原因分析*

何文江， 雷 博， 赵凯峰， 陈作明， 周 杰

（1. 长庆油田分公司采油二厂工艺研究所， 甘肃 庆阳745100；2. 西安石油大学 材料科学与工程学院， 西安710065）

随着国内老油田开发进入高含水期， 许多油井由自喷式油井转为机械采油井， 而机械采油井中油杆泵采油方式占90%以上， 抽油杆是油杆泵采油系统中的重要组成部分[1-2]。 由于抽油杆长期承受周期性的拉、 压、 弯曲等载荷作用， 并且随着钻井技术的发展， 斜井、 定向井和水平井不断增加， 抽油杆的弯曲应力逐渐增大， 抽油杆受力情况变得更加复杂严酷。 同时， 加之井内液体腐蚀、 作业施工起下杆柱等原因， 从而造成抽油杆失效[3-5]。 总之， 复杂的工况与环境中的腐蚀性介质耦合作用致使抽油杆使用过程中断脱事故频发， 疲劳和腐蚀疲劳断裂是抽油杆最主要的失效方式[6]。 当抽油杆发生断裂时， 不仅会导致油井的原油产量降低， 而且还需要进行修井和完井作业， 这些作业都会使油井的采油成本升高。 因此对失效抽油杆进行失效原因分析， 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[7]。

1 宏观形貌

失效抽油杆规格Φ19 mm， 牌号HL， 材质30CrMoA。 宏观形貌如图1 所示。 由图1 可以看出， 断裂位置位于抽油杆镦锻过渡区圆弧消失前沿30 mm 处， 表面可见明显腐蚀坑， 采用金相显微聚焦法测得表面腐蚀坑最大深度达1.18 mm。

图1 失效抽油杆及表面宏观形貌

2 性能分析

2.1 化学成分

采用布鲁克Q4 型直读火花光谱仪， 按照GB/T 4336—2002 《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法 （常规法）》 要求对失效抽油杆进行化学成分分析[8]， 分析结果见表1。 由表1 可见， 失效抽油杆化学成分符合GB/T 26075—2010 《抽油杆用圆钢》 要求[9]。

表1 30CrMoA 失效抽油杆化学成分

2.2 力学性能

采用美特斯 （MTS） C64.305 型静态液压万能试验机， 对失效抽油杆拉伸性能进行测试。 利用ZBC2303-B 摆锤冲击试验机进行冲击韧性测试， 采用KB30BVZ-FA 维氏硬度试验机进行硬度测试。 测试结果分别见表2～表4， 由表2～表4可见， 失效抽油杆拉伸性能和冲击韧性满足SY/T 5029—2013 标准对HL 等级要求[10]， 硬度从外部到心部逐渐降低。 由表2 可见， 失效抽油杆的屈强比高达0.98， 屈强比是衡量钢材脆性的一个指标， 屈强比越大， 材料的屈服强度和抗拉强度的差值越小， 材料的塑性越差， 脆性就越大。 由此可见， 失效抽油杆发生脆性断裂的可能性较高。

表2 30CrMoA 失效抽油杆拉伸性能试验结果

表3 失效抽油杆冲击韧性试验结果

表4 失效抽油杆硬度测试结果

2.3 金相组织

在失效抽油杆管体取金相试样， 分别对其心部及外壁组织进行分析。 图2 为失效抽油杆金相显微组织形貌， 由图2 可见， 抽油杆心部和外壁组织相同， 均为回火索氏体+少量贝氏体， 为30CrMoA 钢典型的调质组织， 组织未见异常。

图2 失效抽油杆金相组织形貌

3 断口形貌及腐蚀产物分析

在失效抽油杆上切取断口， 采用扫描电子显微镜观察断口微观形貌， 分析抽油杆断裂机理。图3 为断口宏观形貌。 由图3 可见， 失效抽油杆为脆性断裂， 断口呈现3 个典型区域， 即裂纹源区、 扩展区和瞬断区。 裂纹起源于表面腐蚀坑，扩展区断面平坦， 瞬断区具有明显的剪切唇。 图4 为失效抽油杆断口微观形貌及截面显微形貌。由图4 可见， 裂纹源区有贝壳状花纹 （海滩条带）， 为多源起裂， 所有裂纹均起源于表面腐蚀坑处， 扩展区有疲劳辉纹以及二次裂纹。 由此可以判断， 该失效抽油杆为腐蚀疲劳断裂。 抽油杆在腐蚀介质的作用下， 表面发生局部腐蚀形成腐蚀坑， 当外力作用在这些腐蚀坑处时， 由于应力集中形成腐蚀疲劳裂纹源。 在抽油杆工作过程中， 由于上下冲程载荷变化， 形成的裂纹源快速扩展， 从而导致其发生腐蚀疲劳断裂失效[11]。 腐蚀疲劳是在交变载荷和腐蚀性介质交互作用下形成裂纹及扩展的现象。 首先抽油杆的抗疲劳性能下降是腐蚀环境所导致的， 其次由于交变载荷的作用， 抽油杆表面逐渐发生疲劳损伤， 最终在腐蚀作用下发生断裂。 腐蚀疲劳裂纹多起源于表面腐蚀坑或缺陷， 裂纹源数量较多， 腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶开裂， 有时也可能出现沿晶或混合开裂， 并随腐蚀发展裂纹变宽。 腐蚀疲劳的最后断裂阶段是纯机械性的， 与介质无关。 腐蚀疲劳断裂是脆性断裂， 没有明显的宏观塑性变形。 断口有腐蚀的特征， 如腐蚀坑、 腐蚀产物、 二次裂纹和疲劳辉纹等[1,3,12,13]。

图3 失效抽油杆断口宏观形貌

图4 失效抽油杆断口微观形貌及裂纹形貌

在抽油杆表面腐蚀坑处取腐蚀产物进行分析。 图5 和图6 分别为腐蚀产物EDS 和XRD 分析结果。 可以看出， 失效抽油杆表面腐蚀产物主要为FeS， 还有碳酸盐和硫酸盐结垢物。 根据腐蚀产物成分分析结果， 推断抽油杆表面发生H2S腐蚀或硫酸盐还原菌腐蚀。

图5 失效抽油杆腐蚀产物EDS 分析结果

图6 失效抽油杆腐蚀产物XRD 分析结果

4 失效抽油杆受力分析

根据实际井况建立如图7 所示的分析模型，其中套管为刚体（完全固定）， 抽油杆、 油管为变形体， 分别采用杆单元、 壳单元类型； 油管上端及下端边界均为固定边界， 抽油杆上端仅能进行上下运动。 分析过程分为下冲程及上冲程两个过程。 在下冲程， 分别在油管、 抽油杆上以体积力形式添加重力及浮力； 在上冲程， 抽油杆上端施加抽油机作用力。 根据分析结果获得抽油杆失效位置处的内部应力分布情况。

根据修井记录， 失效抽油杆上安装有扶正块。模拟失效抽油杆在安装扶正块情况下， 分析抽油杆在上、 下冲程过程中内部等效应力分布， 分析结果见图8。 由图8 可见， 在上、 下冲程过程中，断裂位置处抽油杆内部等效应力分别为835 MPa 和904 MPa。 抽油杆内部的应力很高， 甚至有发生局部塑性变形的可能， 所以在疲劳载荷与腐蚀介质共同作用下， 降低了该部位的服役寿命。

图7 抽油杆分析模型示意图

图8 抽油杆上、下冲程过程中内部等效应力分布

5 分析讨论

失效抽油杆为HL 型高强度抽油杆， 断裂位置位于抽油杆端部镦锻过渡区圆弧消失前沿30 mm处， 该区域存在截面突变从而导致应力集中。 根据弹性力学理论， 该处横截面上的最大应力将出现在抽油杆表面， 并且在镦锻过渡区外仍然存在应力集中， 在距过渡区某一距离的横截面上应力将均匀一致， 应力集中消失。 对于Φ19 mm 规格的抽油杆， 这一距离不小于32.54 mm～35.85 mm，在此范围内抽油杆表面都存在应力集中[12]， 该失效抽油杆断裂位置就在此范围内。 另外， 有限元模拟抽油杆工作过程， 失效抽油杆在断裂位置处内部应力高达904 MPa， 所以过渡区域应力集中和过高的内应力相互叠加促进了裂纹源的形成。

通过显微分析发现， 所有裂纹均源于表面腐蚀坑。 对腐蚀坑底部腐蚀产物进行分析， 发现失效抽油杆工作介质含有H2S 或硫酸盐还原菌， 据此可以判断抽油杆断裂失效形式为腐蚀疲劳， 交变载荷与腐蚀介质联合作用导致抽油杆发生脆性断裂[14-20]。

综上所述， 腐蚀疲劳是导致抽油杆断裂的主要原因， 抽油杆结构特点易导致断裂部位应力集中。 可以认为是抽油杆的自身结构、 高应力交变载荷及腐蚀介质等因素共同作用导致抽油杆断裂。

6 结论及预防措施

（1） 失效抽油杆理化性能满足标准要求， 组织无异常。 失效抽油杆失效原因为腐蚀疲劳断裂。 抽油杆的自身结构、 高应力交变载荷以及腐蚀介质等因素共同作用导致抽油杆断裂。

（2） 为预防抽油杆发生疲劳腐蚀断裂， 可以从抽油杆结构、 工况环境和表面处理等方面同时开展工作。 对现有抽油杆的结构进行优化设计，降低抽油杆镦锻过渡区的应力集中； 添加缓蚀剂或杀菌剂， 减缓抽油杆表面腐蚀， 尤其是局部腐蚀， 避免造成应力集中； 在抽油杆体外包覆一层超高分子量聚乙烯， 可有效阻断抽油杆与腐蚀介质接触， 避免抽油杆腐蚀。