30CrMoA HL级抽油杆杆体断裂失效分析.pdf

石油管材与仪器2023年第9 卷第6 期PETROLEUMTUBULARGOODS&INSTRUMENTS77失效分析与预防30CrMoAHL级抽油杆杆体断裂失效分析赵金兰，全珂，瞿婷婷，李小龙（中国石油集团工程材料研究院有限公司，国家市场监管重点实验室（石油管及装备质量安全）陕西西安7 10 0 7 7）摘要：某油田油气井中发生了30 CrMoA HL级抽油杆杆体断裂事故。为了确定该抽油杆杆体的断裂原因，采用宏观形貌分析、磁粉检测、力学性能、金相分析、扫描电镜(SEM)及能谱分析等方法，对该断裂抽油杆杆体进行了分析。结果表明，该断裂抽油杆杆体的化学成分、拉伸试验和夏比冲击试验结果均符合SY/T50292013标准的要求,失效抽油杆材料的金相组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，其组织晶粒度为9.0 级。由于该抽油杆在使用中处于含有S和Cl-的腐蚀环境中，并且服役时承受了拉压交变载荷,另外抽油杆表面存在脱碳层，使其表层的残余应力转变为拉应力，因而该抽油杆发生了腐蚀疲劳和应力腐蚀断裂。在含H2S和Cl-等腐蚀介质的环境中,建议采用耐腐蚀抽油杆。关键词:30 CrMoA；抽油杆；断裂；腐蚀疲劳；应力腐蚀中图法分类号：TE931D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.06.014(Key Laboratory of Petroleum Tubular Goods and Equipment Quality Safety for State Market Regulation,CNPC Tubular GoodsAbstract:A 30CrMoA HL sucker rod fracture accident occurred in an oilfield.In order to find out the fracture reason,the failed 30CrMoAHL sucker rod was analyzed by means of macroanalysis,magnetic particle testing,chemical composition analysis,mechanical propertiestesting,metallographic analysis,scanning electron microscopy(SEM)and energy spectrum analysis.The results show that the chemicalcomposition,tensile test and Charpy impact test results of the fractured sucker rod body meet the requirements of SY/T 50292013 stand-ard.Its microstructure is tempered sorbite+bainite+a small amount of ferrite,and the grain size is 9.O.Due to the corrosion environmentcontaining S and Cl,the alternating tensile and compressive loads during the service process of the sucker rod,and also the decarburiza-tion layer on the surface of the sucker rod which transforms the residual stress on its surface into tensile stress,corrosion fatigue and stresscorrosion fracture of the sucker rod occurred.It is suggested to use anticorrosive sucker rod in the environment with corrosive media such asH,S and Cl*.Key words:30CrMoA;sucker rod;fracture;corrosin fatigue;stress corrosion0引言目前,在多种采油方式中,机械采油占比最高，而机械采油井中的有杆泵机械采油方式约占9 0%1-3。抽油杆柱作为地面抽油机和井下抽油泵的连接设备,既是一个重要部件,也是一个薄弱环节 4-7)。抽油杆作业时长期承受交变载荷及腐蚀工况条件等综合作用，经常发文献标识码：AFracture Analysis of 30CrMoA HL Sucker RodZHAO Jinlan,TONG Ke,QU Tingting,LI XiaolongResearch Institute,Xian,Shaanxi 710077,China)1事故概况断裂失效抽油杆为22mm30CrMoAHL级,抽油杆文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 6-0 0 7 7-0 5生断裂失效。因此，对其失效原因进行分析，有助于提高抽油杆的可靠性和使用寿命 8 。某油田发生了抽油杆杆体断裂事故,本文对该断裂失效的抽油杆样品进行了试验分析,确定了其断裂失效的原因。初投稿收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 8;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2第一作者简介：赵金兰，女，19 8 2 年生，高级工程师，2 0 0 9 年毕业于中国矿业大学（北京）材料学专业，获硕士学位，现主要从事石油管道技术支持工作。E-mail:78.柱组合为：d28mm光杆+25mm抽油杆短节4根+25mm抽油杆34根+22mm抽油杆33根。断裂抽油杆位于22mm第33根中部，断头深度为551.0 9 m，井斜为6.2 0 狗腿度为6.8 3/30 m。每根抽油杆共注塑3个尼龙扶正器：安装位置距离抽油杆两端约40 cm处各注塑1个尼龙扶正器，两端注塑扶正器中部注塑1个尼龙扶正器。该抽油杆在本井内使用约1个月后,从杆体中间扶正器附近位置断裂。2试验方法和结果2.1宏观分析断裂失效抽油杆的宏观形貌及断裂位置如图1所示。0.5mml23456石油管材仪器带”,其轴向长度为155mm。其中断裂位置位于“腐蚀坑带”区域距离中间扶正器最近位置的腐蚀坑内,如图1(c)所示。腐蚀坑内存在黄褐色的腐蚀产物,腐蚀坑开口直径尺寸2 3mm。杆体外壁其余部位未见腐蚀坑。断裂失效抽油杆断口一端(B端)宏观形貌如图2 所示。从图2 可见，裂纹起源于抽油杆表面的腐蚀坑处，断口表面放射线特征收敛于腐蚀坑处，该区域为裂纹源区。裂纹源附近的断面分为2 个平台，平台上有一些放射状台阶区,腐蚀产物较多,颜色较暗。瞬断区域有明显的瞬时撕裂45形貌,瞬断区为弧形光亮区,腐蚀产物不明显。瞬断区环向约占外圆周长1/2,面积约占断口横截面积的2/5，表明断裂时抽油杆承受了较大的拉伸载荷。断口表面其余部位为疲劳扩展区，面积约占断口横截面积的3/5。2023年12 月(a)断裂失效抽油杆断口A端宏观形貌电翠源区(a)断裂失效抽油杆断口B端宏观形貌9样体装面质独坑(b)断裂失效抽油杆断口B端宏观形貌(b)断裂失效抽油杆表面腐蚀坑处局部宏观形貌图2 断裂失效抽油杆断口B端宏观形貌33mm2.2磁粉检测依据NB/T47013.52015标准，用CJZ-212E磁粉断裂位置探伤仪对断裂失效抽油杆的杆体进行荧光磁粉无损检测。结果表明,该断裂失效抽油杆除断口及腐蚀坑外，断口附近未发现裂纹显示。(C)断裂失效抽油杆断口两端拼接复原形貌2.3化学成分分析图1断裂失效抽油杆宏观形貌及断裂位置断裂位置距杆体中间扶正器33 mm,如图1（a）所示。将样品外表面清洗除锈后，观察断口两端宏观形貌,可以清楚地观察到杆体外表面（断口B端），如图1(b)所示，一侧密集分布着6 个腐蚀坑,形成“腐蚀坑在断裂失效抽油杆杆体上取样，用ARL4460直读光谱仪，依据GB/T43362016标准进行化学成分分析，结果见表1。从表1可见,该断裂失效抽油杆杆体的化学成分分析结果符合SY/T50292013标准的要求。2023年第9 卷第6 期元素C含量0.28SY/T50292013要求0.2 6 0.332.4拉伸试验在断裂失效抽油杆的杆体上取纵向拉伸试样,用SHT4106材料试验机，依据GB/T228.12021标准进行室温拉伸试验,结果见表2。从表2 可见，该断裂失效抽油杆杆体的拉伸试验结果符合SY/T50292013标准的要求。表2 拉伸试验结果试样抗拉强度下届服强度伸长率RmReL直径标距/mm/MPa22 2001 020SY/T5029965 1 1952013要求2.5夏比冲击试验在断裂失效抽油杆的杆体上取纵向夏比冲击试样，用PIT752D-2冲击试验机，依据GB/T2292020标准要求进行室温夏比冲击试验，结果见表3。从表3可见，该断裂失效抽油杆杆体的夏比冲击试验结果符合SY/T50292013标准的要求。表3夏比冲击试验结果试样规格/mm单个值10 10 5515810 10 55155SY/T50292013要求2.6洛氏硬度试验在断裂失效抽油杆正常杆体上取一段圆截面试样，将其两端横截面磨平后,用RB2002T洛氏硬度计，依据GB/T230.12018标准要求测试其洛氏硬度值,试验结果见表4。表4洛氏硬度试验结果表面中部33.3,33.3,33.9,32.9平均33.82.7金相分析2.7.1杆体金相分析在断裂失效抽油杆的杆体上取金相试样,用OLS4100激光共聚焦显微镜，依据GB/T132982015、G B/T105612005和GB/T63942017标准进行金相分析，结果见表5，金相组织如图3所示。赵金兰等：30 CrMoAHL级抽油杆杆体断裂失效分析表1化学成分分析结果(质量分数)SiMn0.260.550.17 0.370.40 0.70断面收缩率A200 mmZ/MPa/%99716.07931014815360心部31.431.379%PS0.0100.0030.0250.020非金属夹杂物A0.5,B0.5,D0.5S回+少量B+少量F(图3)注：S回为回火索氏体，B为贝氏体，F为铁素体。/%4945平均值/151152154154Cr0.970.80 1.10表5杆体金相分析结果组织50.um图3断裂失效抽油杆杆体金相组织2.7.2断裂失效抽油杆断口金相分析在断裂失效抽油杆断口裂纹源处取金相试样,用OLS4100激光共聚焦显微镜对试样进行金相微观特征分析。分析结果显示，断口外表面存在脱碳，脱碳层最大深度约0.3mm，如图4所示。源区附近断口可见多处裂纹，如图5所示。裂纹尖端曲折扩展，呈典型沿晶形貌,如图6 所示。外表面400um图4断裂失效抽油杆断口表面组织断面图5源区附近断口裂纹形貌Mo0.160.15 0.25 Ni0.0250.30晶粒度9.0级Cu0.0210.2080.石油管材上仪器2023年12 月Spectrum1200m50HmCI图6 裂纹尖端沿晶形貌2.8断口扫描电镜分析将断裂失效抽油杆断口经超声波清洗后，用扫描电子显微镜对断口进行显微观察，靠近外表面部位可观察到明显的腐蚀坑，如图7 所示。放大观察源区断口部位，呈明显的脆性沿晶形貌，如图8 所示。源区附近可见大量的腐蚀产物,用XFORDINCA350能谱分析仪分别对源区附近腐蚀产物进行能谱分析,分析曲线如图9 所示，腐蚀产物能谱分析结果见表6。由能谱分析结果可知，腐蚀产物主要组成元素为Fe、C、O、S和Cl-等,该裂纹表面及裂纹内产物主要是铁的氧腐蚀，腐蚀产物内含有S 和 CI。400umSEMMAG:45 xXDet:SE Delector图7 源区腐蚀坑形貌iminElectronImagelFeOCISSiM02FullScale7356ctsCursor:0.000图9 腐蚀产物形貌及能谱分析曲线表6 腐蚀产物能谱分析结果元素质量分数CK8.39OK23.01Si K0.40SK2.21CI K2.85Cr K4.23FeK58.91合计100.00对抽油杆断口扩展区和瞬断区进行形貌观察分析1mmTESCANCrFe八八46可知,扩展区为沿晶形貌,如图10 所示，瞬断区为韧窝形貌,如图11 所示。810121416原子百分比20.3341.850.422.002.342.3730.691820kev%VEGAIITESCANSEM MAG:2.00KX图8 源区附近腐蚀产物Det:SEDetector200mVEGAl TESCANDigital Microscopy Imaging50m图10扩展区沿晶形貌Digital MicroscopyImaging2023年第9 卷第6 期SEMMAG:80DxDal:SEDetetar图11瞬断区韧窝形貌3综合分析该断裂失效抽油杆杆体的化学成分分析、拉伸试验、夏比冲击试验、洛氏硬度试验及金相分析等结果表明：其化学成分、拉伸试验和夏比冲击试验结果符合SY/T5029一2 0 13标准的要求。表面的硬度略高于心部。金相组织均为回火索氏体+少量贝氏体+少量铁素体，晶粒度均为9.0 级。由宏观形貌可知,该断裂失效抽油杆断裂部位距杆体中间扶正器33mm处。抽油杆在提升和下降过程中，受拉-压应力和采出液腐蚀的综合作用,断裂位置即抽油杆杆体中间扶正器附近,此处应力集中较大，且该处外表面一侧密集分布着6 个腐蚀坑,形成“腐蚀坑带”，断裂位置位于“腐蚀坑带”区域距离中间扶正器最近位置的腐蚀坑内。由宏观分析可知,断口表面放射线特征收敛于腐蚀坑处，即裂纹起裂源区。裂纹源附近的断口表面分为2个平坦区平台，平台上有一些放射状台阶区，腐蚀产物较多,颜色较暗。瞬断区域有明显的瞬时撕裂45形貌，瞬断区为弧形光亮区,腐蚀产物不明显。瞬断区环向约占外圆周长的1/2，面积约占断口横截面积的2/5，表明断裂时失效抽油杆承受了较大的拉伸载荷。其余为疲劳扩展区，面积约为断口横截面积的3/5。该断裂失效抽油杆断口的金相分析结果表明,断口外表面存在深度为0.3mm的脱碳层，脱碳部位材料的强度和硬度均会下降，易受到腐蚀环境的侵蚀，从而容易产生裂纹。源区附近截面断口可见多处裂纹，裂纹尖端呈沿晶形貌。该断裂失效抽油杆断口微观形貌及能谱分析结果表明,断口源区靠近外表面区域存在腐蚀坑,其腐蚀产物主要是铁的氧腐蚀,腐蚀产物内含有 S、C l-。S具有较高的活化能，它能破坏抽油杆表面金属的钝化膜,并加速抽油杆表面沉积物下的腐蚀,使抽油杆在短时间内产生腐蚀坑,Cl-是加速腐蚀的催化剂。综上所述,该断裂失效抽油杆处于含有 S和 Cl-的腐蚀介质中，断裂部位处于服役拉一压应力集中部位，赵金兰等：30 CrMoAHL级抽油杆杆体断裂失效分析且源区附近外表面存在深度为0.3mm的脱碳层,导致其产生了腐蚀疲劳裂纹。在服役工况交变载荷与腐蚀介质的协同作用下，裂纹不断疲劳扩展，当壁厚不足以承受载荷时,发生瞬时撕裂。最后断裂区的面积大小与其承受应力大小及材料的韧性有关。源区附近断口可见多处二次裂纹，裂纹尖端呈典型沿晶脆性形貌，从以下几点可知其在腐蚀疲劳失效过程中还有应力腐蚀开裂的特征 9-10 :1)该断裂失效抽油杆VECARTES50 um81服役过程中承受拉应力，且源区附近外表面存在深度为0.3mm的脱碳层，脱碳部位表层碳含量减少，则其表层的残余应力将会力转变为拉应力，使该断裂失效的抽油杆承受拉应力。2）服役环境为含有S和Cl的腐蚀介质。3)抽油杆材料对腐蚀介质敏感，该断裂失效抽油杆的表面洛氏硬度平均值为HRC33.8,其强度越高,对应力腐蚀开裂越敏感。4）裂纹尖端呈典型沿晶脆性开裂形貌。因此,该失效抽油杆发生了腐蚀疲劳和应力腐蚀断裂。4 结论1)断裂失效抽油杆杆体的化学成分、拉伸试验和夏比冲击试验结果均符合SY/T50292013标准的要求，金相组织为回火索氏体+少量贝氏体+少量铁素体，晶粒度为9.0 级。2)由于断裂失效抽油杆在使用中处于含有 S 和 Cl-的腐蚀环境中,并且服役时承受了拉压交变载荷，另外抽油杆表面存在脱碳层，使其表层的残余应力转变为拉应力,因而该抽油杆发生了腐蚀疲劳和应力腐蚀断裂。参考文献1】吕庆钢,刘彦,于国龙，等.35CrMoA抽油杆断裂原因分析J.热加工工艺,2 0 17,46(2 4):2 57-2 59.2周瑞芬.抽油机井抽油杆失效问题的损伤力学研究 D.大庆：东北石油大学,2 0 11.3白强,庞斌,林伟,等.HL型抽油杆断裂失效分析 J.金属热处理,2 0 16,41(7):18 7-19 1.4王军,刘西西,徐葛彦.30 CrMoA抽油杆断裂原因分析 J.石油管材与仪器,2 0 17,3(6):6 8-7 0,7 4.5张永强,李辉,王珂,等.油井管杆偏磨失效分析 J.表面技术,2 0 16,45(8):8 7-9 1.6何文江，雷博,赵凯峰，等.30 CrMoAHL级抽油杆断裂失效原因分析 J.焊管,2 0 2 1,44（4):2 6-31.7 陈海军.30 CrMoA抽油杆钢端部开裂原因分析 J.新疆钢铁,2 0 2 2(1):2 4-2 6.8李鹤林,冯耀荣,李平全，等.石油管材与装备失效分析案例集（一）M.北京：石油工业出版社,2 0 0 6:1-3.9李鹤林.石油管工程学M.北京：石油工业出版社,2 0 2 0：334-336.10肖雯雯,许艳艳,李芳，等.某HL级35CrMo抽油杆断裂原因分析 J.腐蚀与防护,2 0 19,40（8）：6 14-6 18.(编辑：葛明君）