（安全技术及工程专业论文）抽油杆可靠性及其剩余寿命研究.pdf

t h er e l i a b i l i t ya n dr e m a i n d e rl i f er e s e a r c ho fs u c k e rr o d a b s t r a c t e x i s t i n gb a ro i lp u m p i n gm e t h o di sa s o r to fa r t i f i c i a ll i f to i le x t r a c t i o nm e t h o d w h i c hi st h em o s t a b r o a d l ya p p l i e d a tp r e s e n t ，d u r i n gt h ee v e r yk i n do f a r t i f i c i a ll i f to i le x t r a c t i o nm e t h o d s ，i ti ss t i l lt h e c h i e fd e g r e e t h es u c k e rr o di st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee x i s t i n gb a rp u m p i n ge q u i p m e n t i t p a s s e sb e a mp u m p i n gu n i t sd y n a m i cf o r c et oo i lw e l lp u m pu n d e r g r o u n d t h es u c k e rr o d sf a t i g u e s t r e n g t ha n di t ss e r v i c el i f ed e t e r m i n e da n de f f e c tt h ec o m p l e t es e to fp u m p i n ge q u i p m e n t sm a 癌m u m p u m p i n gd e p t he n di t sd e l i v e r yc a p a c i t y t h eo i lp u m p i n gb o l ti sc o m p o s e db yc o u p l i n g sc o n n e c t e do f d e c a d e so rh u n d r e d so fs u c k e rr o d s d u r i n gt h eo i lr e c o v e r yp r o c e s s t h eo i ip u m p i n gb o l tb e a rt h en o s y m m e t r i cl o a da c t i o n i t sw o r k i n gm e d i u mi sc r u d eo i la n dl e d g ew a t e r h o w e v e r , al o to fp u m p i n g w e l l st u m e g a ll i q u i dc o n t a i n sc o r r o s i v em e d i u m s o ，t h es u c k e rr o d sm a i nf a i l u r em o d e sa l ef a t i g u e f r a c t u r ea n dc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c k b r e a k i n ga n dm i s s i n go u ta c c i d e n t so f t h es u c k e rr o ds t r i c t l ya f f e c t c r u d ep r o d u c t i o nr a t e , a n da d dt h ew o r k o v e rf e e s , a n de n h a n c ec r u d eo i lc o s t s f o re n h a n c i n gs u c k e r r o d so p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t ya n di t ss e r v i c el i f e t h i sp a p e ra p p l i e dr e l i a b i l i t yt h e o r y , f r a c t u r em e c h a n i c s a n de x p e r i m e n t st os t u d yf r a c t u r ef a i l u r ep r o b l e m s s t a r t i n gw i t hi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c hf o rt h e p r o d u c t i o nw e l lh i s t o r i e so ft a c h i n go i l f i e l d ，c o l l e c t se x i s t i n gb a ro i lw e l l sf a u l ts y s t e m , c l e a ru pa n d a n a l y z ed a t a ，s e tu ps u c k e rr e ds y s t e m i cf a u l tt r e e s ，a n dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s e st h ef a u l t l r e c s ，f m d o u tw e a k l i n kd u r i n gt h es u c k e rr o d s s e r v i n gp e r i o d a i m i n g a tt h e w e a k l i n k , a d o p t e x p e r i m e n t a lf o rt h es u c k e rr o d sm a t e r i a la n di t sc o m p o n e n tg i v eo u tc a l c u l a t i n gm e t h o d so fs t r e s s i n t e n s i t yf a c t o ra n df r a c t u r et o u g h n e s se t c ，a f f o r dt h e o r e t i c a lb a s e st ot h e c a l c u l a t i o no f t h er e m i n d e rl i f e b yt h es t u d yf o rs u c k e rr o dm a t e r i a l sf a t i g u ec r a c kg r o w t hd i s c i p l i n a r i a na f f o r dr e l i a b l ef o u n d a t i o nf o r s u c k e rr o dr e m a i n d e rl i f e a p p l i e df r a c t u r em e c h a n i c sa n dr e l i a b i l i t yt h e o r i e st oc a l c u l a t ei t sr e m a i n d e r l i f ea n dr e l i a b i l i t y , a f f o r dt h e o r e t i c a lb a s i sf o re s t a b l i s h m e n to ft h es a c k e rr o d ss e r v i n gp e r i o da n d r e p a i r i n gp e r i o d k e yw o r d ：s u c k e rr o d ，r e l i a b i l i t y ，f a i l u r et r e e ，f a t i g u ef r a c t u r e ，f r a c u l r em e c h a n i c s ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , f r a c t u r et o u g h n e s s ，r e m a i n d e rl i f e i i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 说明并表示谢意 作者群：鸯躲毗渺了专、“7 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构遥交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：杏晚秋 日期：枷 7 、 导师签名： 日期： 能 形卯_ 7 ；旷 | 创新点摘要 l 、建立了抽油杆系统故障树，计算了几种常用的重要度数量指标，为抽油杆设计 和制造及使用指明了提高抽油杆可靠性的方向； 2 、获得了抽油杆常用材料机械性能、断裂韧度的分布规律，为抽油杆可靠性分析 提供了定量依据； 3 、给出了抽油杆杆体表面裂纹的应力强度因子，获得了疲劳裂纹扩展规律，为对 抽油杆进行剩余寿命分析提供了理论基础； 4 、提出了抽油杆剩余寿命及其可靠度计算方法，为抽油杆服役期检修期的制定提 供了理论依据。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 一、本课题的目的和意义 引言 抽油杆是有杆抽油设备的重要组成部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。 抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大泵深度和排量。在采 油过程中，抽油杆柱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和腐蚀疲 劳断裂。抽油杆的断脱事故严重影响原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。 本论文就是从断裂力学角度来研究抽油杆的力学特性，调整抽油机的工作参数，从而 改善抽油杆的力学性能，提高抽油杆的强度，延长抽油杆的使用寿命。本论文的研究 成果，也将为后续的模拟机采井的注采工艺、监控抽油杆的工作状态，防止抽油杆失 效，确保油田安全生产提供参考。 二、国内外研究现状及发展趋势 为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，国内外在抽油杆的材料、制造、使用、 保管和维护等方面开展了大量的研究工作，取得了可喜的成果。近2 0 年来，国内外在 抽油杆的制造方面采用了许多新材料，新设备、新技术、和新工艺，如采用多元素合 金钢、玻璃钢；采用中频感应透热设备加热及自动化平锻机进行锻造，采用中频感应 加热淬火装置及红外光导智能测温仪器，抽油杆头部不旋转加工生产线：以及先进的 锻模设计技术，抽油杆外螺纹滚压工艺，接箍内螺纹半切削半挤压工艺，摩擦焊接工 艺，喷丸强化工艺，表面感应淬火工艺等，大大提高了抽油杆的制造水平和产品质量。 为了满足大泵强采、小泵深抽、稠油井、高含蜡井，腐蚀井和斜井采油的需要， 国内外开发了许多特种抽油杆，如超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆、k d 级抽油杆、连续抽油杆、电热抽油杆、钢丝绳抽油杆和铝合金抽油杆等，并研制了许 多抽油杆柱的配套件，如长冲程高强度抽油杆、无牙光杆卡子、旋杆器、减震器、石 墨可调心光杆密封盒、滚轮接箍、扶正器、刮蜡器、加重杆、防脱器、磁防蜡器和泵 空控制等，进一步提高了抽油杆的使用寿命和应用范围。国内外在抽油杆柱的运动学 和动力学方面开展了许多研究工作，利用计算机编制了有杆抽油系统动态预测和参数 优选程序，如钢抽油杆柱设计程序，玻璃钢一钢抽油杆柱设计程序，抽油机井诊断程序 和空心抽油杆柱设计程序、斜井抽油杆柱设计程序和空心抽油杆柱设计程序a 上述研 究工作提高了抽油杆的应用及理论水平，实现了抽油杆柱设计和抽油机井诊断的自动 化、微机化。近2 0 年来，国内外在抽油杆的疲劳断裂机理方面开展了许多试验研究。 引言 通过对抽油杆的小试样和实物试样的疲劳试验、腐蚀疲劳试验和理论研究，分析了抽 油杆用钢和产品的抗疲劳性能和影响抽油杆疲劳寿命的因素，并采取了相应的措施。 通过对抽油杆的断裂力学分析研究，测定了抽油杆的断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率及 门槛值，建立了抽油杆的表面裂纹模型和抽油杆各部位表面裂纹缺陷的应力强度因子 表达式，绘制了各种缺陷的临界尺寸图线、门槛尺寸图线和剩余寿命图线，建立了就 抽油杆判废标准，估算了就抽油杆的剩余寿命。上述研究对提高抽油杆的产品质量和 使用水平有很大的理论指导作用。建立科学的抽油杆运输、贮藏、使用与维护制度， 对提高抽油杆的使用寿命有巨大的作用。其中，安装抽油杆柱时，保证抽油杆接头的 预紧力和建立每口井抽油杆的档案尤其重要。对于含有腐蚀介质或腐蚀微生物的抽油 井，应采用综合防的方法，即同时采用耐腐蚀钢材、防腐涂层、缓蚀剂和杀菌剂。对 于使用过的旧抽油杆进行检测和修复，具有显著的经济效益，是提高抽油杆使用和管 理水平的一项很有意义的工作，已引起国内外的重视。 三、本课题的主要研究内容 本文在前人研究成果的基础上，应用可靠性，收集抽油杆失效资料。建立故障树， 找出其引起抽油杆失效的薄弱环节，利用断裂力学的相关理论，运用试验进行研究； 正确估计单根抽油杆的剩余寿命是评价整个抽油杆柱工作可靠性的关键。用常规断裂 力学的方法预测含裂纹构件的剩余寿命已有坚实的理论基础，并且已在研究抽油杆中 得到应用。但影响抽油杆剩余寿命的各种因素都具有包括随机性的内在不确定性，如 裂纹的初始尺寸、瞬时载荷的性质和频率、材料特性及疲劳裂纹扩展速率等参量实际 上不是确定的，而是服从某种统计分布的，如果不了解它们的分布规律，就不能保证 所研究对象的实际情况不会出现超过被认为安全的假设范围。有时候尽管已经了解了 它们的统计分布规律，倘若仍沿用传统断裂力学计算方法，也难以控制意外事件的发 生。所以本文在抽油杆剩余寿命研究中考虑了上述因素的随机性，在实测抽油杆剩余 寿命的同时，利用m o n t e c a r l o 计算机数字模拟方法，在计算机上进行对影响抽油杆 剩余寿命的各随机变量的抽样，完成了抽油杆剩余寿命的可靠度计算工作，使抽油杆 剩余寿命的研究工作跨上了一个新台阶。 大庆石油学院硕 。研究生学位论文 1 1 抽油杆问题综述 第一章表面裂纹的发展研究 有杆抽油方法是应用最早也最为广泛的一种人工举升采油法，早在石油工业问世 时，就开始采用这一方法进行采油。随着技术的不断发展，有杆抽油设备也不断完善。 目前，在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居于首要地位。据1 9 8 9 年年底的统计， 有杆抽油井在机械采油井中所占的比例，我国为9 1 ，美国为8 5 ，原苏联为7 5 左右。 抽油杆是有杆抽油设备的重要部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。抽油杆的 疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大泵深和排量。抽油杆柱是由数 十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成。在采油过程中，抽油杆柱承受不对称循环载 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和腐蚀疲劳断裂。抽油杆的断脱事故会严重 影响原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。为了提高抽油杆工作的可靠性和 使用寿命，国内外在抽油杆的材料、制造、使用、保管和维护等方面开展了大量的研 究工作，取得了可喜的成果。根据现场调查，每发生一次断杆事故，油井作业费和减 产原油折价之和为2 3 万元。因此，正确估计单根抽油杆的剩余杆寿命是评价整个抽 油杆柱工作可靠性的关键1 2 l 。 1 2 断裂力学的发展与现状 断裂力学是近几十年才发展起来的一支新兴学科，它从宏观的连续介质力学角度 出发，研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件( 荷载、温度、介质腐蚀、中子辐射等) 作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律。断裂力学应用力学成就研究含 缺陷材料和结构的破坏问题，由于它与材料和结构的安全问题直接相关，因此它虽然 起步晚，但实验与理论均发展迅速，并在工程上得到了广泛的应用。断裂力学的研究 方法是从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹 尖端的应力场、应变场和位移场，设法建立这些场与控制断裂的物理参量的关系和裂 纹尖端附近的局部断裂条件。断裂力学可分为弹性断裂力学( 包括线弹性断裂力学和 非线弹性断裂力学) 和弹塑性断裂力学( 包括小范围屈服断裂力学、大范围屈服断裂 力学和全面屈服断裂力学) 断裂力学的工程应用还包括疲劳断裂、腐蚀断裂、蠕变断 裂、腐蚀疲劳断裂、蠕变疲劳断裂等f 4 ”。 第一章表面裂纹的发展研究 1 3 表面裂纹的研究概况 对表面裂纹的研究主要包含两方面内容：( 1 ) 关于应力强度因子k 的求解，( 2 ) 裂 纹扩展速率的描述。表面裂纹问题是一个三维裂纹问题，在数学上遇到了很大的困难， 至今尚无精确解析解。在试验研究工作中，由于表面裂纹扩展前缘形状较为复杂，不 易直接观测，因此试验研究工作也进行得缓慢。为了满足工程实际的需要，人们不断 提出了各种形式的半椭圆表面裂纹应力强度因子的近似式。自从1 9 6 2 年i r w i n 首次提 出了半椭圆表面裂纹应力强度因子的近似式以来，人们利用工程估算法、交替法、有 限元法、体积力法、s c o d 法、光弹法等等各种近似计算方法和试验方法来研究半椭圆 表面裂纹应力强度因子，提出了二十多种计算表达式。在发展各种数值计算方法的同 时，表面裂纹的试验研究工作也取得了相应的进展。但必须指出的是，以上研究工作 仅限于各种板壳的表面裂纹问题，对于圆杆类型的表面裂纹的研究在国外则是刚刚开 始，国内在这方面的研究工作也不多。 1 3 1 板壳表面裂纹的研究概况 表面裂纹问题属于三维裂纹问题。由于其数学上的困难和计算上的复杂，三维理 论远不如二维问题那样成熟，至今尚无精确的解析解。目前工程上的一些近似解法和 计算式都是在无限体内深埋椭圆裂纹应力强度因子计算式基础上给出的i2 0 1 。 随着计算机的容量增大，运算速度的提高，以三维有限元的计算方法的精度进一 步提高。以三维有限元方法的近期结果，证明了应力强度因子的计算向更为准确和可 靠的方向发展。 1 3 2 圆柱杆体的表面裂纹研究状况 圆柱杆体和螺纹根部上出现了表面裂纹后，由于其三维问题的复杂性，加之曲率 的影响，特别是在螺纹根部，因其应力分布的复杂性，随着表面裂纹深度的扩展，边 界约束也产生了较大的变化，因而使其研究更为困难1 2 “。 1 9 8 1 年a a t h a n a s s i a d i s 等人利用边界积分法求出了圆柱杆体在拉伸载荷作用 下，表面裂纹应力强度因子k 的解】。他利用了极坐标形式求解，解的形式是以表 格形式给出的。其解存在的一个问题是，当表面裂纹较小时，裂纹的形状为一部分椭 圆片形状裂纹，而裂纹扩展较深时，其裂纹前缘的形状不再是椭圆曲线的一部分，而 是一个复杂的曲线形状。这和实际情况有些不符。 1 9 8 1 年d w i l h e m 用实验的方法给出了圆柱杆体在拉伸载荷下，表面裂纹应力强 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 度因子无量纲规正化系数f 。( 最深点) 的表达式。表面裂纹的前缘扩展形状为一椭圆 曲线的一部分。通过他的实验可以看出圆杆表面所存在的裂纹缺陷，随着裂纹的扩展， 裂纹的形状仍是一部分椭圆裂纹l ”i 其中裂纹最深点的无量纲规正化系数f 。以下式 给出： f 。- o e 9 一o - 。z 曙) + z s 。4 b ) 2 + l 。e s 曙) 3 c 训 式中：叭5 茜o 4 5 1 9 8 5 年，日本西谷、陈玳衍采用体积力法，并假使了裂纹形状为部分椭圆表面裂 纹，求出了圆柱杆体在轴向拉伸载荷作用下，表面裂纹应力强度因子无量纲规正化系 数在最深点椭圆短轴端点的f 。值。并且讨论了泊松比对f 。的影响。其值是以表 格形式给出的。但是，表中所给出的数值点较少。 1 9 8 7 年，白鸟正树、张光荣等利用权函数法求出了在圆柱杆体上的部分椭圆表面 裂纹分别在拉伸载荷作用下【1 9 l ，以及弯曲载荷作用下，表面裂纹应力强度因子规正化 系数的值。他不仅给出了最深点( 椭圆短轴端点) 的f 。值，而且还给出了最浅点( 表 面点、表面裂纹和杆体表面相交处) 的r 值。此文所给出的数据点比较全，数据点的 适用范围较大，是以表格的形式给出的。 1 9 8 9 年，钟伯明、张永弘等人利用s c o d 法求出了圆柱杆体椭圆形状表面裂纹最 深点的应力强度因子规正化系数e “”。采用夹式引伸仪测量了表面裂纹在中心处的张 开位移。得到近似的表达式如下： e = - 。s + - ，( 晏) 一o s s 9 ( 詈丁 c - - 2 ， 式中：o 2 a r l ，0 5 - c a o 9 以上几种解法，只有白鸟正树的数值所给出的数据较全。而且在泊松比v = o 3 时， 白鸟正树和西谷的解非常接近。钟伯明、张永弘对以上几种解法进行了比较。从此文 的分析对比中可以看出，白鸟正树的解与s c o d 法的实验解很接近。而且在近几种解中 值较大一些，而以d w i l h e m 的实验解的值为最低。从裂纹的形状比詈、詈来看，也 是白鸟正树的解为较全。 第一章表面裂纹的发展研究 1 4 问题的提出及研究意义 目前，有杆泵采油方式已在我国的原油生产中占据了重要地位。抽油杆是有杆泵 采油系统中的主要部件之一。其作用是将地面抽油机输出的能量传递给井底的抽油泵 和把井下的原油( 实为油水混和液) 提升到地面。抽油杆断裂会造成经济损失，为油 田的生产带来不方便。由此可见，确保抽油杆的正常工作具有提高原油产量和降低生 产成本的重大社会效益及经济效益。 根据油田现场收集的资料来看，抽油杆杆体和杆头螺纹段发生的疲劳断裂破坏居 多。每次发生抽油杆断裂后，就需要进行打捞和更换抽油杆的工作，这样一来不仅增 加了设备费用和维修费用，而且还造成了生产上的停产，给油田带来了很大的经济损 失。因此，有必要对抽油杆进行金相组织、热处理制度以及力学性能方面的研究，以 提高抽油杆的强度，延长抽油杆的使用寿命，进一步提高油田的工作效率和经济效益。 目前，国内外对于描油杆的断裂研究大多数是从金相方面着手研究的综述性报告。从 力学的观点，尤其是用断裂力学的观点进行研究的报告较少。本论文就是从断裂力学 角度来研究抽油杆的力学特性，调整抽油机的工作参数，从而改善抽油杆的力学性能， 提高抽油杆的强度，延长抽油杆的使用寿命。本论文的研究成果，也将为后续的模拟 机采井的注采工艺、监控抽油杆的工作状态，防止抽油杆失效，确保油田安全生产提 供参考。 1 5 本文的主要工作 本文选择应用可靠性理论和断裂力学理论及断裂力学实验方法，研究抽油杆断裂 失效问题，具体将本论文的研究内容安排为： ( 1 ) 从油田采油井井史的调查研究入手，收集有杆油井的故障现象、整理分析数 据，建立抽油杆系统故障树，并对故障树进行定性定量分析，找出抽油杆系统服役期 的薄弱环节； ( 2 ) 针对薄弱环节，对抽油杆材料及构件进行实验研究，给出应力强度因子、断 裂韧度等的计算方法，为剩余寿命的计算提供理论根据； ( 3 ) 通过对抽油杆材料疲劳裂纹扩展规律的研究，为抽油杆剩余寿命的研究提供 可靠依据； ( 4 ) 运用断裂力学和可靠性理论计算抽油杆的剩余寿命及其可靠度； 6 大庆石油学院坝仁研究生学位论文 2 1 可靠性概述 第二章抽油杆系统故障树分析 可靠性是表征产品( 系统、原件、器件等) 无故障工作能力的指标，是产品的重 要内在属性，是衡量产品质量的重要指标之一。可靠性是产品在整个生命周期中，保 证完成规定功能的能力，是产品质量好坏的一项重要指标，是产品生命的一部分。可 靠性在国外的标准中都有规定。目前已是产品不可缺少的一项技术指标。我国国家标 准是g b 3 1 8 7 1 9 8 2 ( 可靠性基本名词术语及定义) 中对可靠性的定义是“产品在规定 条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。从质量的要求来说，可靠性定义中的时 间指的是应该是广泛的时间，即次数、行程以及周期等内容均可为规定的内容。 寿命是可靠性的又一种表示，产品的寿命是产品具有可靠性要求下的时间表示， 是反映产品可靠性的时间指标，如平均寿命、可靠寿命、中位寿命以及特征寿命等。 2 1 1 故障模式与故障树分析 故障模式影响分析( f a i l u r em o d ee f f e c ta n a l y s i s ) 与故障模式影响与重要度 分析( f a i l u r em o d ee f f e c ta n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ) ，简称f m 队与f m e c a ，故障 树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 故障，一般指产品零部件的失效，如可维修产品的零部件故障引起的产品的失效。 失效，通常指产品性能的丧失，如不可维修产品的失效，即丧失规定功能。故障与失 效两个概念没有严格的区分，通常在可靠性分析时都用失效一词。故障模式也是失效 模式，故障模式分析也就是失效模式分析，故障树分析也是失效树分析1 。 2 1 2 故障树分析 故障树分析是可靠性分析中非常形象的概念分析。可靠性分析过程像一棵倒置的 树，因此称为故障树分析( f t a ：f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 。故障树分析是从故障的角度 去分析系统的可靠性，它能完成可靠性框图的分析任务，而且还能分析故障的传播路 线与故障源，因此更具有优越性，目前已经是系统可靠性分析中不可缺的方法之一。 故障树分析是在系统设计过程中对设想可能造成系统故障的各种因素( 硬件、软 件、环境、人为因素) 进行分析，并画出逻辑框图( 故障树) ，进而确定系统故障原因 的各种可能组合方式与发生概率，计算系统故障概率，并相应采取纠正措施，实现可 靠性的一种设计方法。 第- 二章抽油杆系统故障树分析 2 2 抽油杆系统故障树的建造 2 2 1 顶事件的选择 建故障树首先要选顶事件，顶事件是一件不希望发生的事件，它是研究的核心事 件，迸一步研究导致顶事件发生的直接原因，这样层层分析下去直接找到最终的原因。 为把一件不希望发生的事件作为顶事件( 树根) 引起顶事件的直接原因作为中间事件 ( 树干) ，引起中间事件的直接原因作为次中间事件( 树枝) ，引起次中间事件的直接 原因作为底事件( 树叶) 。这个过程相当于一个n 级倒霞的树，称为故障树。如果中间 还有很多原因，中间事件可以很多。 对于有杆采油机井，一旦抽油杆系统出现故障，就要停产检泵，影响原油生产， 因此，研究抽油杆系统可靠性、安全性评定工作、采用v i a 法已是当务之急，本文将 对抽油杆杆柱系统这种特定的部分深入剖析，指出该部分故障间的逻辑关系。把抽油 杆失效作为顶事件，即由于抽油杆失效出现故障而导致抽油机停抽是使用抽油杆最不 希望发生的失效状态。抽油杆杆柱系统包括抽油机悬绳器之下，抽油泵柱塞之上的部 分，主要由单根抽油杆及连接抽油杆的接箍组成。这就是本文所研究的部分及其边界。 2 2 2 现场调研 l 大庆地区油井故障现状 本文调查了大庆采油三厂8 0 01 3 、六厂1 2 0 0 口机采井的井史，了解了大庆采油一 厂的部分机采井的作业记录，摘抄了每口井转抽以来的所有故障现象，包括那些非抽 油杆系统失效引起的检泵，收集数据十万以上，详细记录了三千多井次关于抽油杆柱 的故障状态，包括停修时间、故障方式、故障原因、故障部位、油管尺寸、杆柱组合、 泵挂深度、泵塞直径等井史数据。对发生抽油杆失效的井，进一步查找了一些动态数 据，如当时的日产液量、产油量、含水率、油压、液面深度、泵径、冲程和冲次、悬 点的最大和最小载荷、断脱位置，断杆直径等。表2 1 可知断杆多发生在应力大、高 应力比的情况。 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 表2 i 部分机采井井史及处理结果 t a b l e 2 1h i s t o r i e sa n dm a n a g i n gr e s u l t so fp a r tm e c h a n i c a lo i l e x t r a c t i o nw e l l s 2 故障统计 目前现场记录的原始资料对有关故障的记录很不全面，产生故障的原因，故障发 生的确切部位都没有详细地记录，如井史上记载杆断裂，但到底是杆上螺纹段、扳手 方、过渡段和杆体中哪一个具体的地方断裂，井史上并无记录。为完成故障树的建立， 本人深入现场，和工人、技术人员一道，对抽油杆股役期内的状况进行了全面的考查 和统计，进一步完善了第一手资料。 有杆抽油设备主要由三部分组成，抽油机、抽油杆杆柱和抽油泵三者互相依赖， 互相联系，构成整体，任何一部分故障都将使抽油机停抽而且各部分间故障又有联系， 下面主要介绍抽油杆杆柱的故障及与之相关的抽油机和抽油泵的故障。 ( i ) 抽油杆的断裂 抽油杆的断裂主要有抽油杆的疲劳断裂和静断裂，抽油杆的疲劳断裂分为缺陷疲 劳、偏心疲劳和腐蚀疲劳。 抽油杆的缺陷疲劳大多数发生在过渡段处，原因是抽油杆在制造过程中，总是有 9 第二章抽油杆系统故障树分析 各种缺陷存在的，如墩粗杆头部分时的夹杂，螺纹加工中的应力集中，有时因操作不 当也造成损伤、划痕产生缺陷，这些缺陷是形成裂纹的源泉，就这些缺陷的分布规律 看，缺陷最多的部位应当是杆头，其次是过渡段，再其次是杆体。那么为什么缺陷疲 劳断裂多发生在过渡段、其次是杆体而后是杆头呢? 这主要是加工制造过程中，热影 响区的材料性能发生变化，刚度也变化所致。 偏心疲劳主要发生在杆体上，如图2 2 所示，由于秆柱的初始弯曲或杆头联接不 理想而使杆柱呈现偏心拉伸，使凹面应力为 ，m4 p 3 2 p e f r = 一+ 一= 一+ ， 4w zx d 2 意 f 9 1 、 腐蚀疲劳断裂主要是在应力和腐蚀介质的共同作用下产生的破坏现象。 图2 2 偏心疲劳应力图 f i g 2 工b r i e f d r a w i n go f d e v i a t o rf a t i g u e ds t r e s s 抽油杆的静断裂是由于静载荷过大而引起的瞬时破坏现象。 抽油杆在服役期内，因为抽油泵泵套卡死或者杆柱某一部位蜡卡、砂卡等造成抽 油杆杆柱过载，使抽油杆的应力水平达到强度极限，造成抽油杆的静断裂或者在停抽 起泵试拉解卡时使抽油杆断裂。抽油杆上扣转矩过大引起的螺纹段断裂。 在实际操作中，误认为预紧力越大，公接头和接箍台肩处的塑性变形也越大，越 不易使抽油杆脱扣。事实上，依据疲劳断裂力学理论和试验研究结果，过大的预紧力， 一方面使抽油杆应力槽处易产生塑性届服，出现颈缩；另一方面，过大的初始预紧力 导致抽油杆服役中螺纹段的实际应力比明显高于杆体段，达o 7 左右，由于螺纹段的 应力集中严重，多在此处形成先天性或后产生的裂纹，高应力比克服了裂纹的闭合效 应，同时又减少了裂纹的门槛尺寸，裂纹扩展速率加快，裂纹提前进入扩展阶段，扩 展了的裂纹是导致公接头处刚度下降的主要因素，公接头的变形增加。 综上所述，抽油杆的疲劳断裂是抽油杆断裂的主要形式，其中，又多以缺陷疲劳 的方式发生在过渡段部位。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ( 2 ) 抽油杆脱扣 抽油杆之间是用接箍借助螺纹副连接的，在交变载荷作用下，经常出现脱扣现象， 主要表现为： 抽油杆上扣转矩过小。 抽油杆接箍和公接头处的初始预紧力的大小对抽油杆脱扣影响非常大，预紧力的 大小一般在实际操作中用抽油杆与接箍间的周向位移度量，认为它们之间呈正比关 系。如果在螺纹处存在泥砂或冬季作业时，丝扣表面及接触台肩面有冰，死油存在， 下井后因温度变化，冰化油稀，预紧力变小，最终使螺纹脱扣。 悬绳或泵活塞产生转动 从上向下看，如果悬绳器产生逆时针旋转将使抽油杆倒扣，这种情况也易使接箍 螺纹联接脱扣。 ( 3 ) 接箍损坏 接箍将单根抽油杆连成杆柱，它的外径尺寸比抽油杆大，常在油井内与油管磨擦， 造成接箍因磨损而破坏；另一方面，接箍的螺纹联接部分存在应力集中，引起疲劳破 坏，例如大庆某采油厂9 5 年的6 3 个抽油杆破坏中，有4 4 个杆断，1 6 个杆脱扣，3 个接箍损坏。 2 2 3 抽油杆故障树建立 为了判明抽油杆基本故障，确定故障原因，分析发生概率，有必要建立抽油杆故 障树，把抽油杆失效作为顶事件，利用查井史和故障统计的结果，跟踪寻求导致顶事 件发生的中间事件，直到基本事件一底事件，基本事件及其数据见表2 3 。抽油杆柱 故障树如图2 3 所示。 第二章抽油秆系统故障树分析 大庆石油学院硕士研究生学位论文 b 0 5 0 7b 0 5 8b 0 4 64 7 b 0 3 7 b 0 3 8 图2 3 ( 1 ) 抽油杆杆柱故障树( g 0 0 1 ) f i g 2 3 ( 1 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 0 0 1 ) 1 3 第二章抽油杆系统故障树分析 1 4 图2 3 ( 2 ) 抽油杆杆柱故障树( g 2 0 2 ) f i g 2 3 ( 2 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 2 0 2 ) 图2 3 ( 3 ) 抽油杆杆柱故障树( 6 2 0 4 ) f i g 2 3 ( 3 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 2 0 4 ) 图2 3 ( 4 ) 抽油杆杆柱故障树( 0 2 0 5 ) f i g 2 3 ( 4 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 2 0 5 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图2 3 ( 5 ) 抽油杆杆柱故障树( g 2 0 6 ) f i g 2 3 ( 5 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( 0 2 0 6 ) 图2 3 ( 6 ) 抽油杆杆柱故障树( g 2 0 7 ) f i g 2 3 ( 6 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 2 0 7 ) 第二章抽油杆系统故障树分析 图2 3 ( 7 ) 抽油杆杆柱故障树( ( 3 3 0 3 ) f i g 2 3 ( 7 ) f a u l tt r e eo f s u c k e r r o ds t r i n g ( g 3 0 3 ) 图2 3 ( 8 ) 抽油杆杆柱故障树( g 3 0 5 ) f i g 2 3 ( 8 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 3 0 5 ) 图2 3 ( 9 ) 抽油杆杆柱故障树( g 3 0 4 ) f i g 2 3 ( 9 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 3 0 4 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图2 3 ( 1 0 ) 抽油杆杆柱故障树( ( 3 4 0 2 ) f i g 2 3 ( 1 0 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds 州n g ( 6 4 0 2 ) 图2 3 ( 1 1 ) 抽油杆杆柱故障树( g 4 0 3 ) f i g 2 3 ( 1 1 ) f a u l t t r e e o f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 4 0 3 ) 图2 3 ( 1 2 ) 抽油杆杆柱故障树( g 4 0 4 ) f i g 2 3 0 2 ) f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds u i n g ( g 4 0 4 ) 1 7 第二章抽油杆系统故障树分析 图2 3 ( 1 3 ) 抽油杆杆柱故障树( 0 4 0 5 ) f i g 2 3 ( 1 3 ) f a u l tu e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 4 0 5 ) 图2 3 ( 1 4 ) 抽油杆杆柱故障树( c 4 0 7 ) f i g 2 3 ( 1 4 1f a u l tt r e eo f s u c k e rr o ds t r i n g ( g 4 0 7 ) 2 3 抽油杆故障树的分析 2 3 1 定性分析 对抽油杆故障树进行定性分析的主要目的是找出导致顶事件发生的所有可能的 故障模式，每一种故障模式都对应着故障树中的一个最小割集。因此，对抽油杆故障 树定性分析的主要任务是确定其故障树的全部最小割集。定性分析的起始门事件是 g 0 0 1 ，割集中最大事件个数为4 。表2 4 是故障树结构数据，表2 5 是全部最小割集。 1 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 9 第二章抽油杆系统故障树分析 表2 5 2 包含2 个事件的割集 t a b l e 2 5 2t h ec u t - s e to f i n c l u d i n gt w oa f f a i r s 割集号 4 04 l 4 2 割集 b 0 2 1b 0 0 7b 0 2 0b 0 3 2b o l 9b 0 4 5 表2 5 3 包含3 个事件的割集 t a b l e 2 5 3t h ec u t - s e to f i n c l u d i n gt h r e ea f f a i r s 割集号4 3 “4 54 6 割集 b 0 3 5 8 0 3 8 8 0 4 0b 0 0 3 8 0 3 8b 0 3 9b 0 3 5 8 0 3 7b 0 4 0b 0 3 5 8 0 3 7b 0 3 9 割集号 4 74 84 9 5 0 割集 b 0 3 5 8 0 3 6 8 0 4 0b 0 3 5 8 0 3 6b 0 3 9b 0 3 4 8 0 3 8 b 0 4 0 b 0 3 4 8 0 3 8b 0 3 9 割集号 5 l5 25 3 5 4 割集 b 0 3 4 8 0 3 7 8 0 4 0b 0 3 4 8 0 3 7b 0 3 9 b 0 3 4 8 0 3 6 b 0 4 0b 0 3 4 8 0 3 6b 0 3 9 割集号 5 5 5 65 7 5 8 害驰冁 b 0 3 3 8 0 3 8 8 0 4 0b 0 3 3 8 0 3 8 8 0 3 9b 0 3 3 8 0 3 7b 0 4 0 b 0 3 3 8 0 3 7b 0 3 9 割集号 5 96 06 l 6 2 割集 b 0 3 3 8 0 3 6 8 0 4 0 b 0 3 3 8 0 3 6b 0 3 9b 0 3 2 8 0 3 8b 0 4 0b 0 3 2 8 0 3 8b 0 3 9 割集号 6 3 6 46 5 6 6 害岫襄b 0 3 2 8 0 3 7 8 0 4 0 b 0 3 2 8 0 3 7 8 0 3 9b 0 3 2 8 0 3 6 8 0 4 0b 0 3 2 b 0 3 6b 0 3 9 2 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 表2 5 4 包含4 个事件的割集 t a b l e 2 5 4t h ec u t - s e to f i n c l u d i n gf o u ra f f a i r s 2 3 2 定量分析 对抽油杆故障树进行定量分析的主要目的是确定所有故障模式中对顶事件作用 最大的那个割集或底事件，找出系统的薄弱环节，其衡量指标是重要度。重要度分析 的故障树定量分析中的重要部分。它是时间、部件的可靠性参数以及系统结构的函数。 它在系统的设计、故障诊断和优化设计等方面都有应用。可以按部件重要顺序进行检 查、维修和发现故障，并改进重要度较大的部件，从而提高系统的可靠性。 1 部件概率重要度【”1 部件概率重要度是系统的失效概率，即顶事件发生概率g 对某个部件的偏导数， 如果已知故障树的结构函数m ( 贾1 ，则有 蜴= e ( m ( j ) ) = p ( j ) = 1 ) = g ( 亘) ( 2 2 ) 其中j = ( 即而，) ，系统状态矢量 o - - ( q , ，q 2 ，q ) ，失效概率矢量 由系统结构函数的分解公式： ( 贾) = t m ( 1 ，贾) + ( 1 一葺) m ( q ，置) ( 2 3 ) 其中定义： o ( 1 ，j ) = m ( 却而，薯= l ， 2 ，毛) o ( o 。，j ) = o ( ，劫五= o ，l ，矗) 部件的概率重要度可按定义写成 幅= 掣吼，豆) 砷，豆) 4 ) 部件不可用度矢量豆是随机矢量j 的期望值，写成以下形式： 2 l 事实上，它们也都是时间t 的函数。即 q ( ) = 渤( ，) ，伤( f ) ，q o ( o ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 。+ 其中q 是底事件i 在t 时