李志國

（中油國際（伊拉克）艾哈代布公司，北京 100083）

0 引言

某油田的潛油電泵生產(chǎn)井周期檢泵作業(yè)中發(fā)現(xiàn)潛油電泵機組氣體處理器出現(xiàn)斷裂脫落問題，該井井下介質(zhì)為固液混合，運行壓力為16 MPa，井下溫度約為150℃，該潛油電泵氣體處理器材料為45號鋼，參照GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的工藝標準進行生產(chǎn)。

完全取出電潛泵設備以后，確定斷裂位置為接頭下20 cm位置，經(jīng)過掃描檢測，在接頭周邊還發(fā)現(xiàn)了兩處穿孔。電潛泵在運行過程中發(fā)生斷裂和穿孔后，可以直接造成電潛泵功能失效，引起停產(chǎn)，因此分析電潛泵故障原因及處理方法是保障原油生產(chǎn)持續(xù)性的必要工作。

1 失效電泵氣體處理器宏觀失效狀況

對兩根氣體處理器進行失效原因分析，其中1號失效處理器總長度約為112 cm，表面有暗紅色防腐涂層，涂層整體較為完整，管線沒有明顯的形變，穿孔位置位于出氣孔20 cm左右，緊鄰泵體連接處的螺紋區(qū)域，軸向距離約40 mm。2號失效處理其總長度約為204 cm，表面防腐涂層損傷明顯，表面存在大量的黃色鐵銹，斷口處沒有明顯的塑性變形，經(jīng)過掃描檢查，端口處呈45°斜角，屬于韌性斷裂。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾何尺寸測量

為了提高實驗研究的整體精度以及結(jié)果的客觀性，采用美產(chǎn)超聲波測厚儀器進行管壁的厚度測量工作，經(jīng)過測量顯示，潛油電泵外徑和管壁的厚度分布相對均與，基本符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，整體沒有塑性形變，其他位置相對完整。

2.2 無損探傷

無損探傷使用的是目前精度最高的cjz-212型號的磁粉探傷檢測機，它可以有效識別0.1 cm以上寬度的裂口。為了提高檢測精度使用顯像能力的熒光磁粉，經(jīng)過檢測沒有裂紋。

2.3 化學成分分析

為了更精準客觀的分析泵體損傷的原因，對其進行材質(zhì)化學成分分析實驗，實驗參照《碳素鋼和中低合金鋼火花原子發(fā)射光譜分析法》進行，實驗采用arl 4460光譜分析設備。檢查結(jié)果顯示外殼成分中包含碳、硅、錳、磷、硫、鉻、銅等金屬成分，各成本含量符合我國對45號鋼材的要求。

2.4 力學能力分析

力學能力分析是判斷外殼強度是否符合井下環(huán)境需求的研究內(nèi)容，首先對兩個潛油電泵外殼繼續(xù)拉伸實驗，常溫下拉伸結(jié)果：1號外殼最終的屈服強度為742 MPa，超過742 MPa時外殼材料發(fā)生形變，在強度上升至819 MPa時，外殼材料出現(xiàn)了13%的形變；2號泵體外殼最終的屈服強度為756 MPa，在拉伸強度達到819 MPa時出現(xiàn)了12%的整體形變。將實驗結(jié)果與GB/T 699—1999標準進行對比，兩種外殼的拉伸延長測試不符合該標準?？梢娡鈿げ牧蠌姸炔蛔闶菨撚碗姳檬У脑蛑?。

隨后對外殼進行切割取樣，進行硬度測試，測試方法參照布式硬度實驗方法繼續(xù)進行，經(jīng)過實驗分析最終確定1號泵殼材料硬度為243 HB，2號泵殼材料硬度為238 HB，而國標鋼材硬度要求為229 HB以內(nèi)，因此兩種外殼在硬度上均不符合45號鋼材的要求。

2.5 金相分析

分別從1號和2號潛油電泵氣體處理其殼體以及穿孔處截面進行金相分析，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜無含量的測量標準評級圖顯微檢驗法》、GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》，應用MEF4M金相顯微鏡對其組織、非金屬夾雜物與晶粒度進行分析，該殼體組織為珠光體P+鐵素體F，非金屬夾雜物等級分別為A 0.5、B 0.5、D 0.5，晶粒度等級為80%的9.5級與20%的6.5級，晶粒度不均勻，部分組織粗大。還可以觀察到穿孔和斷口附近組織有明顯的組織變形，且不均勻性，說明此處有應力集中。

3 失效機理分析

3.1 穿孔失效分析

根據(jù)前文的實驗結(jié)果，可以得出下述結(jié)論，首先兩個潛油電泵氣體處理器外殼厚度平均，外殼表面均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性形變，在經(jīng)過儀器檢測后也沒有發(fā)現(xiàn)外殼存在內(nèi)部損傷，經(jīng)過電化學實驗檢測電泵氣體處理，其外殼金屬成分符合產(chǎn)品的相關(guān)要求，但通過力學系列實驗可以發(fā)現(xiàn)，該外殼材料的拉伸強度以及硬度均不符合45號鋼材的相關(guān)要求，同時穿孔位置存在明顯的金相組織變形。

1號潛油電泵氣體處理器外殼穿孔位置處于螺紋連接處，穿孔呈貫穿式，初步判斷其與螺紋存在直接關(guān)系，穿孔呈橢圓形，穿孔斷壁表面輕微腐蝕，由此可以推斷1號泵的穿孔原因是螺紋部分剛體強度以及拉伸強度不夠，在井下多種應力的作用下螺紋區(qū)域出現(xiàn)了穿透性裂紋，在電泵高振動頻率的工作下裂縫產(chǎn)生疲勞性擴散，最終內(nèi)介質(zhì)由裂縫處刺穿形成穿孔。

3.2 斷裂失效分析

根據(jù)前文的試驗分析可以得知，2號潛油電泵氣體處理器外殼斷裂位置的螺紋已經(jīng)無法用肉眼直接識別了，斷裂面有明顯的彎曲、呈45°角，斷裂位置有明顯的塑性形變的痕跡，可以判斷屬于韌性斷裂。根據(jù)廠家提供的資料顯示，為了降低設備在使用過程中出現(xiàn)的內(nèi)部腐蝕及磨損現(xiàn)象，在外殼與旋轉(zhuǎn)位置之間設置了不銹鋼內(nèi)襯，降低導輪與外殼之間的磨損。但內(nèi)襯在使用過程中會與內(nèi)螺紋產(chǎn)生磨損，導致螺紋發(fā)生疲勞性損壞，以及一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生的腐蝕性損害。根據(jù)前期內(nèi)、外螺紋接觸區(qū)受力分布研究表明，其受力分布由高到低，在整個螺紋接頭中，外螺紋最大張應力區(qū)出現(xiàn)在外螺紋倒數(shù)（由斷面向管體中部）2～3扣的螺紋牙根部，內(nèi)螺紋最大張應力出現(xiàn)在內(nèi)螺紋尾部區(qū)域。在該潛油電泵螺紋連接處，由于其內(nèi)螺紋區(qū)域較外螺紋區(qū)域長，導致內(nèi)、外螺紋嚙合時，內(nèi)螺紋尾部域與未嚙合螺紋牙疊加，進一步增大了該區(qū)域應力。

此外，2號泵殼斷裂位面也存在相對平坦的區(qū)域，說明該斷裂是經(jīng)過疲勞擴展不斷發(fā)展最終產(chǎn)生斷裂的，這與泵殼鋼材性能有著直接的關(guān)系。根據(jù)前文的金相分析結(jié)果可以看出，2號泵體外殼材料中晶粒度較為粗大，遠超相關(guān)標準的要求范圍，導致外殼鋼材的強度分布不均勻，在受到應力時容易出現(xiàn)斷裂的情況。綜上所述，2號潛油電泵氣體處理器外殼斷裂的最終原因是，外殼與內(nèi)襯層在運轉(zhuǎn)時存在機械磨損以及腐蝕性磨損，導致外殼厚度不斷減小，同時材料強度分布不均勻，在井下工作時受到多種外部應力等多種因素的共同影響發(fā)生了疲勞性斷裂。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）潛油電泵殼體穿孔是由于螺紋處穿透性裂縫，在應力作用下裂縫不斷擴展最終導致穿孔的形成，這與螺紋連接處存在沒有咬合的內(nèi)螺紋也有著直接關(guān)聯(lián)。

（2）潛油電泵氣體處理氣外殼斷裂，與內(nèi)襯層腐蝕、材料性質(zhì)不符合產(chǎn)品設置需求以及井下高溫、高壓、高腐蝕性的環(huán)境有著直接聯(lián)系，其中組織粗大不均勻以及外殼腐蝕磨損程度較高時造成斷裂是直接原因。

4.2 建議

（1）減少接口位置的螺紋區(qū)域長度，讓內(nèi)、外螺紋長度相等，從而減小螺紋未咬合區(qū)域的最終承受應力，降低裂縫疲勞性擴張速度，減小穿孔發(fā)生的可能。

（2）加強對泵體外殼材料的檢查力度，控制電泵生產(chǎn)質(zhì)量水平，加強抽檢制度。