1、第 44 卷 第 5 期2023 年10 月河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Henan University of Science and Technology(Natural Science)Vol.44No.5Oct.2023基金项目:国家自然科学基金项目(U1804146);陕西省特殊支持计划-青年拔尖人才项目(00439)作者简介:李德君(1982),男,安徽安庆人,博士,高级工程师,主要研究方向为高性能钢铁材料.收稿日期:2023-04-20文章编号:1672-6871(2023)05-0100-05DOI:10.15926/ki.issn1
2、672-6871.2023.05.013电镀钨合金抽油杆断裂机理研究李德君1,邓永洪2,3,刘建伟2,3,刘 鑫2,任江卓4,杨 琦1,师 伟1,曹 峰1,赵元雷1(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司,陕西 西安 710077;2.中石油煤层气有限责任公司,北京 100028;3.中石油煤层气有限责任公司韩城采气管理区,陕西 韩城 715400;4.长安大学 工程机械学院,陕西 西安 710064)摘要:针对钨合金电镀技术在抽油杆上的适用性问题,利用断口形貌分析、杆体理化性能检测、涂层结构与缺陷检测,分析了电镀钨合金抽油杆断裂机理。结果表明:电镀钨合金抽油杆断裂属于疲劳断裂。钨合金镀层最高
3、硬度为 805HV0.1,平均硬度达到 675HV0.1,硬且脆的镀层在周期性载荷的作用下易发生开裂。镀层开裂、脱落导致井内采出液直接与杆体接触,抽油杆的服役工况由惰性疲劳转变为腐蚀疲劳,从而导致抽油杆疲劳寿命大幅降低。电镀钨合金技术应用于抽油杆,需进一步优化镀层性能,提高镀层塑性,防止镀层开裂。关键词:失效分析;疲劳;抽油杆;电镀钨合金中图分类号:TE973;TG172文献标志码:A0 引言抽油杆是有杆泵生产系统中最重要的设备之一,是连接抽油机和井下泵的传递动力部件1-3,在服役过程中除了要承受交变载荷与摩擦磨损的作用,还要受到富含 K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4等离子的高矿化
4、度地层水、CO2、H2S 等介质的腐蚀,容易发生疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂,从而影响油井生产,给油田企业造成巨大的经济损失4-8。文献1-2研究表明:在 Cl-、CO2、H2S 等腐蚀性介质和水的共同作用下,抽油杆会发生电化学腐蚀,特别是在高浓度 Cl-的作用下易在杆体表面形成点蚀坑,点蚀坑底极易诱发疲劳裂纹,从而促进抽油杆的疲劳断裂。另外,电化学腐蚀的协同作用会显著降低金属构件的疲劳寿命9,因此一些新材料、新技术被用来提高抽油杆的耐蚀性能,以期提高抽油杆的服役寿命10-13。钨合金镀层具有良好的耐蚀性和耐磨性14-15,因此,电镀钨合金抽油杆作为一种新型的抽油杆产品初步在油田推广应用,但钨合金镀
5、层在抽油杆产品上的适用性需要进一步的研究与验证。2022 年某高腐蚀工况的煤层气井试用的 22 mm HL 级电镀钨合金抽油杆发生断裂,截至断裂时,该抽油杆累计服役时间仅约 100 d。该井泵挂 2 570 余米,抽油杆承受的最大载荷 80.1 kN,最小载荷45.4 kN,冲程 4.8 m,冲次 3.73 次/min。经分析井内采出水密度 1.20 1.23 g/cm3,为氯化钙水型,总矿化度高达 219 500244 000 mg/L,其中 Cl-质量浓度高达 122 400 mg/L,CO2分压为 0.01 MPa。根据现场资料可知,抽油杆承受的应力比最高达到 0.57,以该抽油杆服役
6、100 d 计算,至断裂时抽油杆累计运行约 53.7 万次,远低于 SY/T 50292013抽油杆标准中对抽油杆寿命不应低于 100 万次的要求。理论上讲,镀钨合金抽油杆表面的钨合金镀层能有效地隔离腐蚀介质,将显著提高高腐蚀工况下抽油杆的疲劳寿命,但此次试用的结果却并未达到预期。为了查明本次镀钨抽油杆过早断裂的原因,杜绝类似事故的再次发生,急需研究镀钨抽油杆失效机理,提出预防与改进措施,为钨合金镀层技术在抽油杆领域的应用提供理论依据。1 抽油杆成分、组织及性能抽油杆单根长约 10 m,彼此通过抽油杆接箍进行连接。抽油杆本体与接箍外表面均有钨合金镀第 5 期李德君,等:电镀钨合金抽油杆断裂机理
7、研究图 1抽油杆的断裂位置层,本体材料为 30CrMo 合金钢圆棒,杆体断裂处直径约22 mm。与大多数断裂抽油杆一样,其断口位于抽油杆杆体端部镦锻过渡区圆弧消失段之后,断口距离外螺纹台肩端面 100120 mm16-17,并且表面存在不同程度的锈蚀。除了断裂位置,杆体的其他位置也能观察到锈蚀,如图 1 所示。1.1抽油杆本体成分及力学性能依据 GB/T 43362016 标准18,采用 ARL 4460 型直读光谱仪对抽油杆本体进行化学成分分析,结果如表 1 所示。由表 1 可知:抽油杆本体材质为 30CrMo 合金结构钢,化学成分符合 GB/T 260752019抽油杆用圆钢标准的要求。表
8、 1失效镀钨抽油杆本体化学成分元素w(C)/%w(Si)/%w(Mn)/%w(P)/%w(S)/%w(Cr)/%w(Mo)/%w(Ni)/%w(Cu)/%w(Fe)分析结果0.260.230.530.0100.0060.940.160.0150.0053余量标准要求 0.260.33 0.170.37 0.400.700.0250.0250.801.10 0.150.250.300.20余量在发生断裂的抽油杆上直接截取 3 段长度均为 400 mm 试棒作为拉伸试样(不再进行加工,直接装夹两端拉伸),拉伸试样标距为 200 mm,3 件拉伸试样的断裂位置均在标距以内。室温拉伸试验依据GB/T
9、228.12021 标准进行19。在失效抽油杆本体上沿轴向截取加工冲击试样,冲击试样规格为10 mm10 mm55 mm 的夏比 U 型缺口冲击试样,冲击试验依据 GB/T 2292020 标准进行20,试验温度为室温(约 21 ),测试结果均为 3 件试样的平均值。抽油杆本体力学性能检测试验结果如表 2 所示(因镀层很薄,略去镀层对本体性能的影响)。由表 2 可知:断裂抽油杆本体的力学性能满足 SY/T 50292013 标准对 HL 型高强度抽油杆的要求。表 2抽油杆本体力学性能力学性能抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 ReL/MPa断后伸长率 A/%断面收缩率 Z/%冲击吸收能量/J测试结
10、果1 0661 03710.565153SY/T 50292013 要求9651 1957931045601.2抽油杆微观组织自抽油杆断口以下约 30 mm,将断口完整切割下来,并沿断口上的裂纹源将试样沿轴向剖开,制备轴向、垂直于轴向的金相试样。试样经镶嵌、打磨、抛光,用体积分数 2%硝酸乙醇溶液腐蚀 15 s 后,采用 VE-GA II 型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、OXFORD-INCA350 型能谱仪、OLS4100 型激光共聚焦显微镜、DuraScan70G5 型显微硬度计对抽油杆的断口与镀层结构进行分析检测。图 2镀钨抽油杆镀层
11、结构通过 SEM 观察与能谱分析可知:电镀钨合金抽油杆为 3 层结构,即外表面 Ni-W-P 合金镀层、中间的镀 Ni 层,以及芯部基体(抽油杆本体),镀层厚度为 5090 m,其镀层结构如图 2 所示,镀层内主要元素的能谱分析结果见图 3。使用显微硬度计对镀层的硬度进行检测。镀层为双层结构,镀 Ni 层是为了能将 Ni-W-P 合金镀层顺利涂镀到抽油杆表面而设计的过渡层。由于镀 Ni 层很薄,未测量镀 Ni层硬度。镀层硬度为 Ni-W-P 镀层的硬度。在镀层内随机抽取了 13个点,检 测 其 显 微 维 氏 硬 度 HV0.1(硬 度 测 试 时 加 载 的 载 荷 为0.1 kg)。抽油杆
12、 Ni-W-P 镀层硬度最大值为 805HV0.1,最低值为630HV0.1,平均值为 675HV0.1。101(a)Ni-W-P 层(b)镀 Ni 层图 3外层 Ni-W-P 镀层(a)和中间镀 Ni 层(b)能谱分析结果2 抽油杆断裂机理分析2.1断裂类型分析镀钨抽油杆断裂无明显宏观塑性断裂特征,断口宏观形貌如图 4 所示,断面上绝大部分的断口区域平坦,断口呈现 3 个明显的特征区域,即疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区。疲劳源位于抽油杆表面,疲劳源区和裂纹扩展区与主应力垂直,瞬断区与主应力成一定的角度,应为疲劳裂纹最后失稳扩展所致。断口表面经充分清洗后,采用 VEGAII 型扫描电子显微镜观察
13、断口表面的微观形貌特征,在裂纹扩展区内观察到大量的疲劳辉纹(脆性条带,每一条带可以视为一次应力循环的扩展痕迹),如图 5 所示。疲劳辉纹是金属构件在交变载荷下疲劳裂纹扩展时在断口上留下的微观特征,这也进一步证实了抽油杆的断裂为疲劳断裂。结合抽油杆服役时的载荷工况,可以判定此次电镀钨合金抽油杆的失效模式为交变载荷作用下的疲劳断裂21。图 4失效镀钨抽油杆断口宏观形貌图 5裂纹扩展区中的疲劳辉纹2.2疲劳裂纹萌生原因分析金属构件的疲劳寿命主要由疲劳裂纹萌生期寿命和疲劳裂纹扩展期寿命两部分组成。常规条件下,表面光滑无缺陷、断裂截面较小的工件及构件,其疲劳寿命主要决定于疲劳裂纹萌生期寿命,因截面较小,
14、裂纹扩展期寿命相对较短,一旦裂纹萌生将很快断裂。疲劳裂纹通常在构件的表面产生。抽油杆的裂纹源即在表面(见图 3),因此抽油杆的表面质量非常重要,它决定了疲劳裂纹萌生的早晚,而抽油杆较细,疲劳裂纹萌生期决定了抽油杆使用寿命。观察抽油杆的镀层,发现镀层内存在较多裂纹,如图 6 所示,甚至某些区域镀层脱落,如图 7 所示。抽油杆的镀钨层要求高的硬度与致密度,可以起到防磨损,隔绝腐蚀介质,提高抽油杆疲劳寿命的作用。但镀层开裂甚至脱落会导致抽油杆基体与井内高矿化度液体直接接触,使得抽油杆本体快速发生腐蚀,在本体 上 形 成 腐 蚀 坑(图 8)以 及 腐 蚀 裂 纹(图 9)。井 内 地 层 水 的 氯
15、 离 子 质 量 浓 度 达 到 了122 400 mg/L,总矿化度高达 219 500 mg/L,对普通合金钢有很强的腐蚀作用。当镀层开裂后,地层水侵入镀层与基体的界面,基体会优先发生腐蚀,导致局部腐蚀的发生,形成腐蚀坑或腐蚀裂纹,从而诱发疲劳裂纹,导致疲劳裂纹萌生期大幅度缩短。大量的研究表明1-5,12,13,16,在腐蚀介质的作用下,抽油杆的疲劳寿命将显著低于无腐蚀介质环境201河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期李德君,等:电镀钨合金抽油杆断裂机理研究中的疲劳寿命。若抽油杆镀层完好无缺陷,则即使在高矿化度水中服役仍可视为惰性疲劳,然而一旦镀层开裂
16、,则腐蚀介质将直接作用于镀层下的杆体,原本的惰性疲劳则转化为腐蚀疲劳。失效抽油杆杆体表面出现大面积的锈蚀,其主要原因也是与抽油杆镀层开裂或者脱落有关。虽然钨合金镀层可以提高钢材的耐蚀性和耐磨性12-13,但也有一些研究指出镀钨合金硬度高但塑性不足,当构件需要承受大变形或周期性载荷时,易发生开裂,从而无法起到隔绝、屏蔽腐蚀介质的作用,反而会引发更为严重的局部腐蚀,加速构件的失效22-24。要发挥镀钨合金抽油杆的技术优势应该开展适用性研究,根据抽油杆服役工况,通过调整钨合金成分24、电镀工艺参数与镀层结构状态25-26,优化镀层强度与塑性之间的匹配,防止镀层开裂。另外,要严格控制镀前抽油杆表面处理质量,彻底清除杆体表面油污、氧化皮,可有效提高镀层与基体的结合力防止镀层脱落。图 6抽油杆断口附近镀层内的裂纹 图 7抽油杆镀层脱落 图 8镀层下基体中的腐蚀坑 图 9镀层下基体中的腐蚀裂纹图 10抽油杆本体表面的脱碳另外,抽油杆本体表面存在脱碳层,如图 10 所示。抽油杆本体的金相组织为 30CrMo 合金钢典型的调质组织,即回火索氏体。脱碳层应是在抽油杆热轧和热处理过程中形成的。脱碳层的存在将