抽油杆失效分析.doc

抽油杆失效实验分析摘要：抽油杆是抽油机设备的重要部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵，因此了解和学习抽油杆知识是必不可少的。通过查阅资料、做实验以及分析结果，加强我们对抽油机和抽油杆的认识，并催使我们把所学的专业知识运用到实际中，并通过分析找到失效原因，以便提出相应的防止措施。关键词：抽油杆、失效分析、组织。Abstract: sucker rod pumping equipment is an important component of machine oil pumping machine, power it will be passed to the down hole pump, so understanding and learning the knowledge is essential for sucker rod. Do the experiment and the analysis results through access to information, understanding, strengthen our pumping and pumping rod, and it moves us to learn professional knowledge into practice, and through the analysis to find the cause of failure, so as to put forward corresponding prevention measures.Keywords: sucker rod, failure analysis, organization.一、前言1、抽油机基本介绍抽油机是石油工业中的一项重要组成部分，在抽油机驱动下，带动其他设备运转，实现油井的机械式开采。主要分为游梁式和无梁式两大类。游梁式抽油机主要由油梁连杆曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助设备四部分组成。如下图所示：图1 曲柄平衡常规型游梁式抽油机结构简图1一刹车装置;2一电动机;3一减速器皮带轮; 4一减速器;5一动力输入轴;6一中间轴;7一输出轴; 8一曲柄;9一曲柄销;10一支架;11一曲柄平衡块;12一连杆;13一横梁轴;14一横梁;15一游梁平衡块;16一游梁;17一支架轴;18一驴头;19一悬绳器;20一底座工作原理：减速器将动力机的高速旋转运动转变为曲柄轴的低速旋转运动；曲柄轴的低速旋转运动由连杆机构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，悬绳器下接抽油杆柱，抽油杆柱带动抽油泵柱塞(或活塞)在泵筒内作上下往复直线运动，从而将油井内的原油举升到地面，达到抽油的目的。2、抽油杆受力分析抽油杆是抽油机的重要组成部分，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：F柱塞=(0.94D/)-140F凡尔=1.5nkA31-(f/A)S2n2/(729u2f2)F=F柱塞+F凡尔式中，D为柱塞断面直径，mm；为柱塞与衬套间隙(表1)，mm；nk为游动凡尔个数，在本文中取1；S为光杆冲程，m；n为冲次，min-1；为井液密度，kg/m3；u为流量系数，取0.8；A为柱塞积，m2；f为游动凡尔座孔面积，m2。中性点以下抽油杆长度L为:L=(F液+F惯+F)/(d2杆g/4)F惯=F杆Sn2/1440式中,d为杆直径,m；F液为管内液柱作用在柱塞上的压力,MPa；F杆为杆柱重量,N；杆为抽油杆的密度,kg/m3。根据压杆理论,杆柱发生弯曲的临界载荷P为:P=2EI/l2I=d4/64式中,E=20.59104MPa；l为3/4in抽油杆单根长度,8m。由于P F，所以下冲程时抽油杆中性点以下始终是严重弯曲的，变形的长度在L以下，泵挂越深，这部分抽油杆就越容易弯曲，磨损就越严重。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。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，尤其以疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂最为严重。3、研讨目的及意义通过查阅资料，了解抽油机和抽油杆的相关知识；通过亲手实验，得到相应结果；在试验过程中可以进一步锻炼金相制备、金相分析以及硬度试验的基本实验技能。对抽油杆的失效分析以及组织成分分析和硬度测量，将理论与实践相结合，达到学以致用的效果。通过一系列的试验对抽油杆的失效原因进行总结分析，提出了相应的改善措施。并通过撰写综合创新实验研究论文，锻炼我们的自我思考，将所学专业课灵活应用的能力，同时也锻炼了我们的创新能力。二、实验材料与方法1实验材料和仪器设备实验材料：游梁式抽油机用抽油杆；金相制样材料；仪器设备：砂轮切割机、砂轮机、砂纸、预磨机、抛光机、抛光膏、酒精、34硝酸酒精溶液、棉花、竹夹子、洛氏硬度计、金相显微镜。2实验方法2.1金相制样金相显微试样的制备过程包括有如下工序：取样、镶样、磨制、抛光、浸蚀等。（1）用砂轮切割机把整根抽油杆分成若干份，得到初始试样；（2）用预磨机打磨，获得平整磨面； （3）使用金相砂纸按照先粗后细，依顺序进行磨制；（4）在抛光机上进行抛光，获得光亮镜面；（5）用浸蚀剂浸蚀试样磨面，得到待观察的试样；2.2组织观察将所得到的金相试样放到金相显微镜的载物台上，进行组织观察，对心部，表层及分界处组织分别进行观察，并拍摄不同倍数下的金相组织。2.3硬度测试（1）根据试样预期硬度确定压头和载荷，并装入试样机。 （2）将试样置于工作台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指在“3”或“小红点”处，此时即已预加载荷10Kgf。然后将表盘大指针调整至零点（HRA、HRC零点为0，HRB零点为30），稍差一些可转动读数盘调整对准。 （3）向前拉动右侧下方水平方向的手柄，以施加主载荷。 （4）当指示器指针停稳后，将右后方弧形手柄向后推，卸除主载荷。 （5）读数并进行记录。采用金刚石压头（HRA、HRC）时读外圈黑字，采用钢球压头（HRB）时读内圈红字。 （6）逆时针旋转手轮，使工作台下降，取下试样，测试完毕。（7）分别在表层和心部进行硬度测定，每个部位测3次，最后求平均值。三、实验结果与分析1抽油杆宏观分析在实验前通过观察发现材料外层表面有较多的腐蚀斑点和腐蚀坑。在金相试样被腐蚀处理以后，明显的看到试样出现了分界环，图2给出了抽油杆在锯断前的形貌，图3给出了抽油杆锯断后的截面形貌，图4给出了制样腐蚀后的宏观形貌。 图2 抽油杆锯断前形貌 图3 抽油杆锯断后截面形貌图4 试样腐蚀后宏观形貌由宏观形貌图分析，在距表层不远处存在着明显的过渡带，可以推测表层和心部的显微组织不一样。为了弄清楚为什么会出现过渡带，需要进一步对其组织进行观察。2抽油杆金相组织分析通过金相显微镜观察抽油杆截面的金相组织，在截面的心部与表层中间存在着明显的过渡带，以下金相组织图分别给出了抽油杆心部、抽油杆表层及抽油杆过渡区不同放大倍数的金相组织图。 图5 抽油杆心部组织 x100 图6 抽油杆心部组织 x400 图 7 抽油杆表层组织 x100 图8 抽油杆表层组织 x400 图9 抽油杆过渡区组织 x100 图10 抽油杆过渡区组织 x400由以上金相组织图分析，大致可以得出截面的心部组织是为回火索氏体，截面的表层组织为回火索氏体+马氏体。图（9）清晰的反映出了抽油杆表层至心部存在明显的过渡区，呈现蓝色条带状。而图（10）则是从表层到过渡区组织向心部回火索氏体的过渡图。3硬度测试试验在抽油杆试样的心部与表层各取三个样点进行洛氏硬度测试，结果汇总如表2所示：表2 抽油杆截面硬度表组号123平均值转换为HB心部（HRC）3434.534.634.37319表层（HRC）46.546.54847455由表格里的数据可以看出，表面组织的硬度高于心部组织，即表硬心韧。出现此种情况，与抽油杆的热加工工艺有关，有可能是表面淬火，也有可能是某元素的渗层，以下会进行具体分析。四、实验结果讨论查阅资料可知，抽油杆常用材料为钢，但目前也有一些新型的材料运用到制造抽油杆，例如碳纤维复合材料。我们本次实验中的抽油杆，其材料为钢。抽油杆的品种很多，分类方式也很多，许多国家都按API标准生产，下表是中国常用钢材及热处理方式和性能指标：国名API级别钢号钢系硬度（HB）热处理中国C45C钢197/241正火20CrMoCrMo197/241淬火+回火35Mn2CMn187/228正火K20Ni2MoNiMo179/207正火D35Mn2CMn248/295淬火+回火45CrMnMoCrMo248/295淬火+回火查阅资料知，20CrMo钢D级抽油杆的心部和表面显微组织如下图： 图11 20CrMo钢心部组织 图12 20CrMo钢表面组织根据资料可知，20CrMo钢D级抽油杆的心部组织为调质组织即回火索氏体，表层组织为回火组织，其组织为回火索氏体和回火贝氏体。由于表面经过喷丸处理，所以其晶粒比较细小。由以上的分析知，本次实验的组织和20CrMo钢D级抽油杆的组织很相似，而且实验材料是来自胜利油田，属于实心抽油杆，目前是D级抽油杆大量使用，所以判定为是20CrMo。查阅资料知，抽油杆用20CrMo钢的热处理工艺为：淬火温度880，淬火介质水，回火温度500，回火介质水。由上述表格可知，此类热处理方式达不到我们实验测定的硬度值，但其表面经过喷丸处理，一定程度上增加了表面硬度。再者其心部和表层的组织和硬度不同，观察其组织形态，与渗层组织不太一样，而且抽油杆的热处理方式很少有渗层处理，故可得到此抽油杆采用了表面淬火处理。经过以上分析，得出结论如下：此抽油杆的材料为20CrMo钢D级抽油杆，热处理方式为：调质处理+表面淬火。五、抽油杆失效原因总结及防止措施1.抽油杆失效的原因经查阅资料可知，造成抽油杆失效的主要原因有：1） 杆管偏磨杆管偏磨是造成抽油杆柱断脱失效的主要因素，占全部抽油杆失效总数的50%左右，究其原因主要有以下两点：(1)油管承受交变的液柱载荷发生弯曲。油管在每个冲程中，要承受液柱压力作用在柱塞上的载荷，下冲程时液柱载荷通过固定阀尔转换到油管，油管伸长；上冲程时，液柱载荷转换到抽油杆上，液柱载荷突然消失，油管收缩并因为弯曲效应而弯曲，造成杆管之间的偏磨，这过程中既有抽油杆的脱扣又有抽油杆断裂的情况的发生。(2)座封过重引起油管弯曲。封隔器座封重力过大，造成油管弯曲，由于现在的管柱设计中，抽油泵与最上一级封隔器距离一般都较近，导致油管中和点上移至泵挂以上，在中和点附近油管会产生严重的弯曲，造成抽油杆柱在上下行时抽油杆节箍与弯曲油管均会发生偏磨，最终造成抽油杆接箍磨穿而脱扣。2）腐蚀腐蚀疲劳是抽油杆断脱的又一个原因，所谓腐蚀疲劳是金属材料或构件在受循环应力及腐蚀介质的共同作用下产生的，腐蚀疲劳的裂纹源多半是在材料表面上形成的。抽油杆在井液腐蚀的作用下，其表面会产生局部腐蚀，形成蚀坑，而这些腐蚀坑处又易产生应力集中，从而形成腐蚀疲劳裂纹源。这些裂纹源受抽油杆上下冲程载荷变化的影响，会快速的扩展，最终导致抽油杆的早期失效。另外，当表面存在凹坑和刻痕等缺陷的抽油杆处于腐蚀环境中时，还会加快腐蚀的速度。当接箍端面与抽油杆的台肩侧面在交变载荷作用下发生分离时，腐蚀性井液就会侵入到接头里，使螺纹发生腐蚀，导致卸扣困难。3）设计不当有小部分抽油杆的断脱是由于杆柱设计不合理造成的，主要体现在两方面：一方面抽油杆超负荷工作，承受的应力超过了耐久极限，使其发生断裂；另一方面随着井深的不断加大，往往采用两级或者三级抽油杆柱，而有时井况又比较复杂，造成下部抽油杆出现受压而弯曲的现象，弯曲部位的凸侧面会产生附加的拉应力，进而使凸侧面受到的拉应力超过横截面的平均拉应力，对于循环应力来说，这种附加拉力使得应力幅度增大，因而具有更大的危险性。4）制造缺陷制造缺陷主要表现在以下几个方面：材料缺陷或热处理质量不符合要求；螺纹加工质量差，台肩端面与外螺纹中心线的垂直度误差大，抽油杆台肩侧面与接箍端面接触不紧密；锻造过程中的缺陷，如折叠和裂纹、产生过热组织、杆头弯曲等；扳手方颈两端过渡圆角太小，应力集中引起；锻造后在热影响区的杆体上有压痕和局部直径变小。在制造缺陷中，以折叠和裂纹最为严重，它减少了抽油杆的有效载面，降低了其承载能力，特别是折叠和裂纹末端的应力集中，大大缩短了疲劳裂纹的萌生期，也就严重降低了抽油杆的疲劳寿命。材料缺陷或热处理质量不合格，锻造时的温度过高产生的过热组织也会对抽油杆的疲劳寿命产生较大影响。5）运输和使用抽油杆时处理不当抽油杆在运输、储存和使用过程中可能受到人为的机械损伤，如杆体表面被擦伤或碰伤而出现凹坑、刻痕等。抽油杆服役时，这些表面缺陷就会因局部应力集中而形成疲劳源，导致疲劳断裂。另外，斜井的下部井斜角、方位角变化较大，泵供液不足而产生液体冲击的影响在下部更为明显，这些问题都有可能导致抽油杆的断裂发生在受力相对较小的中下部。因此可以认为，运输和使用抽油杆时处理不当，也是导致抽油杆断裂的原因之一。另外，抽油杆服役时间超安全期也是发生断裂的原因之一。2.抽油杆失效的防止措施要有效预防抽油杆断裂,可以相应地采取下列措施:(1)减缓偏磨现象。虽然由于井况造成的抽油杆偏磨现象不可避免,但合理使用防偏磨工艺、回升地层压力、合理控制油井沉没度、适当上提油井泵挂,可有效减缓抽油杆偏磨现象发生。(2)防止腐蚀。加缓蚀剂是解决油井抽油杆腐蚀的一种有效的方法,它可在金属表面形成一种致密薄膜,以达到保护金属的目的。同时还可采用防腐抽油杆。(3)合理设计抽油杆柱。在