|
抽油杆断裂分析
王文青，杜奇圣，陈风桂，史利军，刘素芬，许宏飞
(中国兵器工业第五二研究所，包头014034)
摘 要：某油田用抽油杆服役半年即发生失效断裂。从断口的宏微观形貌特征、显微组织、常规力学性能和化学成分等方面进行了分析，认为，材料化学成分不当、存在冶金缺陷及强度偏低等是造成该抽油杆发生早期疲劳断裂的主要原因。
关键词：抽油杆；断口；显微组织；疲劳；失效分析
1 引言
某厂生产的一批超高强度抽油杆，在某油田服役近半年后，其中一根距地面2800m处的抽油杆突然断裂，导致采油工作中断，造成了一定的经济损失。该抽油杆杆径为25mm，其技术要求σs≥800MPa，σb为966～1200MPa，δ≥14%，ψ≥45%。热处理工艺：930℃正火，400℃回火。
2 检验与结果
2.1 断口宏观分析
原断口(见图1)表面虽已氧化锈蚀，但仍可提供如下信息：①断裂起始于抽油杆内部，并以此呈弧线状向前扩展，比较符合疲劳断口宏观形貌特征；②断裂的扩展台阶明显，扩展方向一目了然；③原断口上具有较大的剪切唇，一方面说明材料基体本身塑韧性较高，另一方面也说明该抽油杆断裂时所受应力可能要大于其实际许用应力。
图1 抽油杆断口宏观低倍形貌(实物)
2.2 断口微观形貌分析
将原断口样用SEM进行观察，可见，在断裂扩展台阶及其扩展方向的裂纹源区存在着一断裂撕拉斜面(见图2a)，但其更详细的微观形貌特征已被腐蚀产物所覆盖(见图2b)。
(a) 断裂起始及扩展区 10×
(b) 断裂扩展区 300×
图2 抽油杆原断口的SEM二次电子形貌
为进一步考察材质、深入分析断裂成因。本试验选取新的冲击断口试样进行SEM观察与分析。①新断口上存在较多尺寸很大的裂纹和孔洞(见图3a)、以及导电性差的白亮带(见图3b)；②该材料基体的正常微观断口形貌特征为韧窝状(图4a)，同时还存在夹杂物。对图中A处夹杂物进行EDS能谱分析(见图4b)，结果显示，夹杂物中含有S，Al，Mn和Ca等元素；③新断口上很多区域如一些孔洞洞壁上存在着导电性不佳的块状物(图5a)，进一步观察，其为堆集在一起的细颗粒状物质(图5b)，这些聚集颗粒物经ESD分析主要含Al元素，同时还有少量的S和Ca元素(图5c)。
(a) (b)
图3 抽油杆新断口的SEM二次电子形貌 10×
(a) 正常形貌特征 150×
(b) a图中A处的EDS能谱图
图4 抽油杆新断口的SEM二次电子形貌
(a) 一孔洞及洞壁上的聚集夹杂物 100×
(b) a图的局部放大 300×
(c) a图中B处的EDS能谱图
(d) 夹杂物条带(旋转90°拍照) 150×
图5 抽油杆新断口的SEM二次电子形貌
另外，在低倍下观察到的导电性差的白亮带就是这种细颗粒夹杂物呈条带状分布的结果(图5d拍摄时与原视场成90°角)。
2.3 金相组织检验
金相组织检验结果(图6a)为准贝氏体+铁素体组织。依据GB/T10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》评定，该抽油杆显微组织中的非金属夹杂物级别为B3e级氧化铝类夹杂物(见图6b)，需要指出的是这些夹杂物的分布长度基本上横贯了整个检验样品(样品长约25mm)。金相检验结果与新断口的观察结果较吻合。
(a) 金相组织 400×
(b) 夹杂物 100×
图6 抽油杆金相组织照片
2.4 力学性能检测
对断裂抽油杆进行力学性能检测，结果见表1，该抽油杆强度指标未达到技术要求，而塑韧性指标超过了技术要求。力学性能检测结果与上述的断口、组织等显微分析结果相吻合。
2.5 化学成分分析
该断裂油杆的化学成分检验结果见表2。由表2可见，断裂油杆的化学成分与其它炉号生产的抽油杆的化学成分，尤其是Si和Mn含量有较大的差异，一般在钢中同时加入Si和Mn，能够发挥两者的良好作用，例如可以起强化作用，但是该断裂抽油杆中Si含量不足0.3%，Mn含量约0.5%，难以达是材质要求的目的。
3 讨论
抽油杆在工作时不停地进行着循环往复式直线运动，因而通常受交变载荷作用，在杆内产生交变应力。当材质内部存在诸如尺寸较大的微裂纹和微孔，尤其是呈块、条带分布的颗粒聚集态氧化铝夹杂物等缺陷时，此类缺陷易成为疲劳裂纹源。由于该抽油杆的材质较差，组织中还存在一定数量的铁素体，强度很低，其对交变应力的抗力显得非常敏感。这样，在交变应力的不断作用下，裂纹很快扩展，最终导致疲劳断裂。
4 结论及建议
(1)该抽油杆断口形貌呈疲劳断裂特征。
(2)抽油杆材质较差，其化学成分和材料强度均未达到技术要求，这是造成抽油杆发生早期疲劳断裂的主要原因。
(3)预防抽油杆疲劳断裂，首先要从材料冶炼工序入手，包括热处理制度等都要层层严把质量关，做到材料出厂前必须合格，否则会造成不必要的经济损失。
|
