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1、-抽油杆失效分析-第 6 页抽油杆失效分析研究性实验院 系: 机电工程学院 专 业: 材料科学与工程 学 号: 12044124 学生姓名: 潘姝静 指导教师: 宋玉强 抽油杆失效分析潘姝静 指导教师：宋玉强（中国石油大学（华东） 机电工程学院，山东青岛，266555）摘 要：抽油杆作为杆抽抽油设备的重要部件，承担将抽油机的动力传递给井下抽油泵的作用，由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成，承受不对称循环载荷的作用，工作介质为井液（原油和矿层水），而许多抽油井的井液含有腐蚀介质。因此，抽油杆的主要失效形式为疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。抽油杆失效部位主要集中在外螺纹、螺纹卸荷槽、扳手方颈、焊口和杆体
2、与接头过渡位置,与其结构形式和制造工艺有关。本文介绍了抽油杆失效分析的基本程序, 对抽油杆的试样磨制、组织分析和硬度测试进行分析，总结了常见抽油杆失效形式与防治措施。关键词：游梁式抽油机；抽油杆；硬度；疲劳；失效Study of failure analysis of sucker rodPan shujing Instructor：Song Yuqiang（China University of Petroleum, Shan dong,266555）Abstract: as an important part of sucker rod pumping equipment, sucker
3、rod undertakes to transmit power of the oil pumping machine for oil well pump function, consisting of tens or hundreds of sucker rods and connected by coupling, under asymmetric cyclic load, the working medium is well fluid (oil and water, and ore) a lot of pumping wells well liquid containing corro
4、sive medium. Therefore, the sucker rod is the main failure mode of fatigue fracture or corrosion fatigue fracture. Sucker rod failure occurred mainly in the external thread, the thread unloading groove, wrench square neck, weld and the rod body and the joint position of the transition, and its struc
5、ture and manufacturing process related. This paper introduces the basic procedure of sucker rod failure analysis, analysis of the sample of sucker rod mill, organization analysis and hardness test, summarizes the common sucker rod failure mode and prevention measures.Key words: beam-pumping unit; su
6、cker rod; hardness; fatigue; failure一、 前言抽油机结构及工作原理抽油机是开采石油的一种机器设备，俗称“磕头机”，通过加压的办法使石油出井。图1 游梁式抽油机 图2抽油机运动机构示意图1-刹车装置；2-电动机；3-减速器皮带轮；4-减速器；5-动力输入轴；6-中间轴；7-输出轴；8-曲柄；9-曲柄销；10-支架；11-曲柄平衡块；12-连杆；13-横梁轴；14-横梁；15-游梁平衡块；16-游梁；17-支架轴；18-驴头；19-悬绳器；20-底座工作原理：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，经中间轴后带动输出轴，输出轴带动曲柄做低速旋转运动，曲柄通过
7、连杆经横梁拉着游梁后臂（或前臂）摆动（或者是连杆直接拉着游梁后臂），游梁的钱端庄又绿头，活塞以上液柱及抽油杆柱等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上；驴头随同游梁一起上下摆动，游梁驴头便带动活塞作上下的、垂直的往复运动，就将油抽出井筒。112抽油杆受力分析抽油杆在运动过程中主要受以下几种力的作用: 动载(惯性力)F惯；抽油杆柱所受的摩擦阻力F阻 ; 抽油杆柱所受的浮力F浮；衬套与柱塞间的摩擦力 F柱塞 ；抽油杆自身重量G；液体通过游动凡尔时的水力阻力F凡尔。自由状态下金属破坏的最大程度决定于失稳的程度,抽油杆的失稳包括动力失稳和受压弯曲失稳。动力失稳来源于杆体轴向和横向应力载荷变化，周期和载荷变化量越
8、大，动力失稳越严重;弯曲失稳来源于杆体在螺旋状井筒中横向摆动的剧烈程度和频率。由于上冲程时抽油杆受自重和液柱对活塞的压力影响,始终保持受拉状态，失稳性不严重。在下冲程中，根据材料力学压杆稳定中的约束概念规定,将最下端抽油杆下部当固定点，上部为自由端进行研究。则抽油杆失稳来自于 F柱塞 和 F凡尔 :2式中, D为柱塞断面直径,mm; 为柱塞与衬套间隙(表1) ,mm; 为游动凡尔个数,在本文中取1 ; S为光杆冲程,m; n 为冲次, ; 为井液密度, ; 为流量系数, 取0.8 ; A为柱塞面积,; f为游动凡尔座孔面积, 。中性点以下抽油杆长度L 为:式中, d 为杆直径,m; 为管内液柱
9、作用在柱塞上的压力,MPa ; 为杆柱重量,N; 为抽油杆的密度, 。根据压杆理论,杆柱发生弯曲的临界载荷P 为:式中, E = 20159 104 MPa；I为 3/ 4in 抽油杆单根长度为8m。3表1 泵的柱塞与衬套间隙抽油泵间隙等级IIIIII柱塞与衬套间隙/m20707012012017013抽油杆失效分析方法及现状抽油杆失效分析通常按照 4 个程序进行：1) 明确分析对象和要求了解抽油杆的档案资料, 例如型号、生产时间、失效前的工作状态等, 明确该失效分析是仲裁性的还是属技术改进。 2) 调查研究失效件的背景和现场情况了解抽油杆自身以及与之相关的油管、抽油泵、抽油机等关联工件或设备
10、的质量和工作状况,收集齐全失效抽油杆的所有断裂部分, 并了解井身数据结构、原油 性质、工作载荷等内容。 3) 对失效件进行测试和分析对抽油杆的断口进行无损伤清洗, 目测或通过仪器对断口及其腐蚀产物进行宏观、微观分析, 对失效抽油杆进行性能和组织显微分析。 4) 确定失效原因并采取措施确定失效原因后, 有针对性地制定和实施改进措施。4现状：随着油田开发进入中后期，油井产能降低，产出液含水量高，需要电泵转抽、加深泵挂等措施来维持油田的产量6。但是，在设计过程中存在很多问题，使抽油杆频繁失效，影响油井产量，还浪费了大量的作业费用。此外，抽油杆本身在长期承受交变载荷时也会发生疲劳断裂。在这个往复运动过
11、程中，抽油杆受到各种因素的影响。主要有来自各种作用介质的作用力。产出液中的各种腐蚀介质包括原油、水及水中溶解的氧气、二氧化碳、硫化氢、溶解盐类、砂、原油中析出的蜡、水中析出的垢等，结果抽油杆因磨损与腐蚀而失效。据统计，抽油杆的失效形式主要有疲劳破坏、磨损破坏和腐蚀破坏4、5，尤其以疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂最为严重。抽油杆发生失效的部位主要集中在外螺纹卸荷槽、扳手方颈、锻造热影响区和抽油杆焊接区, 这些部位发生的失效占总失效率的65% 以上; 腐蚀断裂、抽油杆与油管偏磨断裂断脱失效约占总失效率的20% 。由于结构形式的差异和加工工艺的不同,镦锻抽油杆与焊接抽油杆产生失效的部位也不相同7。14课题目
12、的与意义通过对研究抽油杆失效进行分析，并结合金相制备分析与硬度测试等基本实验检验方式，掌握抽油杆的使用工况及失效现状，通过实验的开展，深入理解理论知识，并与实际生产应用相结合，总结失效原因并提出防治措施，并且进一步锻炼材料科学与工程金相制备、金相分析以及硬度试验等基本实验技能。二 实验材料与方法21实验设备及材料：（1）数码显微镜、图像采集系统、预磨机、抛光机、硬度计、砂轮机、砂轮切割机；（2）金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；（3）游梁式抽油机用抽油杆截取试样22实验内容：1.观察抽油杆宏观形貌；2.制备抽油杆金相试样（19x10mm）；制备过程：试样手工磨制水洗机械抛光水洗浸蚀水洗滴酒精
13、吹干。（1）手工和机械磨样 试样先在预磨机上进行预磨，再在金相砂纸上由粗到细磨制。磨样时用力均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨痕均匀一致时就更换细一号的砂纸，并且试样转90度再磨。一般磨制到4号（粒度800）砂纸即可。（2）抛光 本实验采用化学抛光与机械抛光相结合的方法：PG2金相制样抛光机 化学抛光：靠化学药剂对试样表面不均匀溶解而得到光亮的抛光面，凸起部分溶解速度快，而凹下部分溶解速度慢。具体操作是用竹筷夹住浸有抛光剂的棉球均匀的擦试磨面，待磨痕基本去掉后，立即用水冲洗。 机械抛光：在专用的抛光机上进行，抛光织物（如呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样轻压于旋转的抛光盘上。靠
14、嵌于抛光织物中的抛光粉的磨削作用和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的磨面。（3）化学浸蚀试样在浸蚀剂作用下，组织中电位低的部分为阳极，电位高的部分为阴极，低电位处于溶解较快而呈现凹陷从而显示出组织特征。碳钢常用34%硝酸酒精溶液浸蚀。3.观察与分析抽油杆金相显微组织（高倍金相组织、低倍金相组织）；4.抽油杆硬度测试（洛氏硬度）试验原理：在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。试验程序：(1) 根据试样预期硬度确定压头和载荷，并装入试样机;(2) 将试件支撑面擦净置于工作台上,旋转手
15、轮使工作台缓慢上升并顶起压头,至小指针指向红点,大指针此时即已预加载荷10Kgf;(3) 旋转指示器外壳,使C,B之间长刻线与大指针对正;(4) 拉动加荷手柄,施加主试验力,指示器的大指针按逆时针方向转动;(5) 当指示针转动停止下来后,即可将卸荷手柄推回,卸除主试验力;(6) 从指示器上相应的标尺读数;(7) 逆时针转动手轮使试件下降,再移动试件.按以上(2)-(6)步骤进行新的试验。图3洛氏硬度计 图4洛氏硬度试验原理图1在初始试验力F0下的压入深度；2在总试验力F0+F1下的压入深度；3去除主试验力F1后的弹性回复深度；4残余压入深度h；5试样表面；6测量基准面；7压头位置三 实验结果与
16、分析31抽油杆宏观状态分析图5 抽油杆锯断前形貌 图6 抽油杆锯断后截面形貌通过图片可发现材料外层表面有较多的腐蚀坑，易作为断裂源引起抽油杆失效断裂。32抽油杆金相组织分析 图(a) 金相试样制备前形貌 图(b) 金相试样制备后形貌图(c) 抽油杆心部组织X100 图(d) 抽油杆心部组织X400图(e) 抽油杆过渡区X100 图(f) 抽油杆过渡区X200图(g) 抽油杆过渡区X400 图(h) 抽油杆边界外区域X200通过观察分析，可以从图(a)观察到试样表面明显的分界线，表明试样经过表面处理，由图（c）、（d）得到试样心部组织为回火索氏体；从图（h）中可得到表层组织为表面淬火马氏体。图（
17、e）表明抽油杆表层至心部存在明显的过渡区，呈现蓝色条带状；图（f）表明从过渡区组织向心部回火索氏体的过渡状态。33硬度试验结果分别于试样表面中心与表层处各取三个点进行硬度测试，结果如表1所示：表2 抽油杆界面硬度表硬度值 组号123平均值心部（HRC）表层（HRC）由数据可以发现抽油杆心部硬度低于表层硬度，表明了抽油杆通过表面处理提高了表面硬度使整体处于一种表硬里韧的状态，具有良好的综合力学性能。34 抽油杆失效的原因（1）杆的正常疲劳断裂 疲劳断裂是在交变应力的作用下发生的断裂现象。根据 API标准，普通抽油杆的抗疲劳强度必须符合修正的古德曼应力图的要求。以抽油机冲次 6 次/ min 计算
18、，杆的最小疲劳寿命在 3.17 年左右。 （2）杆的腐蚀疲劳断裂 油田进入开发中后期，随着井液含水的上升，油田的回注水基本上都是污水直接回注，抽油杆的工作环境中各种离子越来越多，使得抽油杆有可能发生腐蚀疲劳失效。腐蚀疲劳断裂的概念是: 零件在交变应力和腐蚀介质的联合作用下发生的低应力断裂。腐蚀疲劳断裂的断口上有腐蚀产物产生，其裂纹为穿晶裂纹。抽油杆的工作环境比较恶劣，产出水的矿化度较高，尤其是Cl-多，使得碳钢的腐蚀速率大幅度提高。井液呈弱酸性，pH值为6.26.8，在此范围内，金属表面不能形成起保护作用的钝化膜，从而加剧了腐蚀；在腐蚀介质的作用下，局部发生化学侵蚀形成腐蚀坑，腐蚀坑内的局部含
19、酸高，pH值可达到左右，这又加剧了腐蚀的进行。腐蚀坑处产生应力集中，形成腐蚀疲劳裂纹源。在交变应力的作用下，裂纹不断扩展，导致了抽油杆本体的有效断面减少，最终断裂。腐蚀疲劳的断裂寿命主要取决于裂纹扩展速度，没有疲劳极限。 （3）热影响区对杆的强度的影响 抽油杆本体断热影响区占50%以上。抽油杆两端的凸缘是采用墩锻工艺制造,墩锻加热过程中在热影响区引起晶粒增大和杆塑性变形,可产生高达倍屈服极限的残余拉应力,引起垂向的机械性能明显降低,组织晶粒粗大,杆的冲击韧性值从正常的68117J/ cm2下降到 54.9 J/ cm2 。目前油杆的加工工艺中基本上都有喷丸处理工艺,虽然喷丸处理引起的残余压应力
20、对抽油杆的机械性能有 所改善,但是抽油杆热影响区仍然是应力最集中区,机械性能较差。如果锻造中产生折叠和裂纹等缺陷,杆的疲劳寿命降低会更明显。 （4）抽油杆断裂位置的分析 抽油杆断裂多发生在整个杆柱组合的中部偏下部位,断杆所受的应力不大,瞬断区仅在三分之一左右。由于该部位的抽油杆承受的是不对称拉-压载荷,疲劳极限明显的小于拉-拉载荷,以 40Cr调质钢为例,在拉-拉载荷时,疲劳极限是854MPa,拉-压载荷时,疲劳极限仅为344MPa ,机械性能相差甚远。另外,在下冲程中抽油杆下部弯曲变形,产生了附加弯矩及由附加弯矩产生的弯曲拉应力和弯曲压应力,易发生杆的断脱。 （5）杆脱扣的分析 抽油杆脱扣除
21、了与丝扣受到机械损伤有关外，其主要原因是现场施工中抽油杆和接箍的丝扣连接部分不清洁或是没有螺纹润滑剂 (尤其在目前高含水的情况下)，造成预紧力根本达不到工作要求。杆的正确装配方法是：API 抽油杆连接的设计要使公螺纹处于压应力状态，这种预紧力设计得足够高，以便当抽油杆处于最大拉伸负荷时，也有足够的剩余压缩负荷，使公扣和母扣端面牢固连接，如果公扣应力太小，在上冲程时压缩负荷失去作用，会引起脱扣事故的发生。 （6）接箍偏磨断分析 抽油杆接箍偏磨受以下因素的影响: 抽油杆下冲程时受压纵向弯曲; 上冲程油管的螺旋弯曲; 井斜或直井段有“狗腿”。 杆管偏磨严重的是杆接箍，最大磨损在“狗腿”处。接箍受的挤
22、压力大，摩擦出现在边界润滑和混合润滑方式下；杆受的挤压力小，摩擦发生在混合-水动力方式下。两者润滑条件相差很大,边界润滑和混合润滑方式下比混合-水动力润滑方式下的摩擦系数要高0.5倍左右。接箍在杆柱组合中部偏下的位置一侧偏磨。这个现象反映出抽油杆柱在井下的运动还是很规律的，也就是说，水力震荡等因素对抽油杆运动规律的影响是有规则的。34抽油杆失效的防止措施（1) 合理设计杆柱 疲劳断裂和应力腐蚀断裂的裂纹源通常是在应力最大处。设计杆柱时, 在考虑减少投入和系统平稳运行的同时, 还应考虑等寿命原则。（2) 调质过程控制 调质处理时保证充分的冷却速度, 不仅要使杆体组织转变充分, 还要保证螺纹接头部
23、位组织转变充分。（3) 抽油杆接箍应进行喷丸、滚压、表面高频淬火等处理，以提高其腐蚀疲劳寿命。焊接质量和加工质量控制 焊接同轴度是影响焊接部位失效的主要原因之一, 保证杆体与螺纹接头焊接同轴度及焊接工艺参数的合理性, 焊后采用适宜的热处理方式，减小焊接热影响区性能不均匀程度。（4）冷加工质量控制 螺纹卸荷槽和台肩过渡圆弧尺寸在保证与接箍最小接触面要求的前提下尽量大，以降低应力集中。（5）减少杆管偏磨 抽油杆与油管的磨损量和最大磨损深度主要与正压力有关，正压力的产生主要是下冲程时抽油杆柱弯曲造成的, 因而合理加装扶正器和选配加重杆能有效减缓杆管偏磨。（6）采取防腐措施 利用加注缓蚀剂, 使用防腐
24、材料用涂( 镀) 层等方法, 减缓对抽油杆的腐蚀。（7）抽油杆接箍应进行喷丸、滚压、表面高频淬火等处理，以提高其腐蚀疲劳寿命。（8）大直径抽油杆应采用抽油杆动力钳取代目前人工管钳进行上卸扣。（9）油杆下井前应进行无损探伤，及时发现腐蚀疲劳裂纹缺陷，避免有缺陷下井。（10）在满足提升强度的前提下，优先选用较低强度的抽油杆。813四参考文献1 李军，游梁式抽油机机构的运动学分析，西安石油大学2 齐俊林, 郭方元, 黄伟, 等. 游梁式抽油机分析方法 J. 石油学报, 2006, 27(6): 116-119.3 王海斌. 抽油杆受力分析及优化管理J. 石油天然气学报 (江汉石油学院学报), 200
25、5, 27(1).4 张艳敏. 抽油杆失效分析J. 石油矿场机械, 2011, 40(7): 85-88. 5 李国义, 郝丽丽, 李箐泉. 抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子的研究J. 石油矿场机械, 2007, 36(12)6 梁辰, 邓福成, 李惠子, 等. 抽油杆柱疲劳断裂失效分析J. 石油矿场机械, 2013, 42(4).7 白德林, 崔珊. 抽油杆使用可靠性研究J. 国外石油机械, 1996, 7(3): 71-74.8 孟祥鹏. 抽油杆失效分析J. 国外油田工程, 2001, 10: 001.9 刘建立. 抽油杆断脱原因及治理措施J. 河南科技, 2013 (15).10 刘立涛, 王优强. 抽油杆和油管偏磨腐蚀的研究进展J. 河南石油, 2006, 20(2): 70-72.11 王华, 陈晶, 逯同柱, 等. 抽油杆失效的预防对策J. 油气田地面工程, 2005, 24(3): 42-42.12 姜玲. 抽油杆失效原因分析及预防措施J. 石油工业技术监督, 2003, 19(10): 17-21.13 刘建国, 高嵩, 刘军. 抽油杆失效原因探讨J. 油气田地面工程, 2006, 25(6): 43-43.