抽油泵轴在井下1500mm处工作,既要承受电机传递过来的扭矩(2000N·m),又要承受井下油气的压力(约20MPa),还要经受油气中H2S、CO2、Cl-等腐蚀和油气温度变化引起的热应力,总之,抽油泵轴用管是在恶劣的环境下工作,经常出现非正常失效。国内某无缝钢管厂供油田某单位准56mm×18mm规格、按API5CT标准中N80钢级交货的油管,经该单位加工成抽油泵轴后发往油田使用,在使用过程中出现抽油泵轴断裂现象。
抽油泵轴断口上有很多小台肩,表现出明显的多源特征;整个断口基本可分为平坦光滑区和粗糙区。平坦光滑区所占面积比较大,在此区内可观察到台阶和贝壳线花样,为疲劳断口特征,裂纹源在轴台肩根部。粗糙处为瞬断区,所占面积比较小,在该断口中不明显。
在裂纹源附近区域作扫描电镜分析,断口的显微形貌可见疲劳辉纹。在裂纹扩展初期可观察到间距较窄的疲劳辉纹,随着裂纹的扩展,疲劳辉纹逐渐加宽。瞬断区微观形貌为蜂窝+少量准解理。在断口上有大量的贝纹线和疲劳辉纹存在,说明材料在服役期承受了交变载荷,而且所受交变载荷的大小还在不断变化,这一点与抽油泵轴的实际工作条件是相吻合的。
在断轴上取样进行化学成分分析,结果成分符合公司的内控标准规定,也符合APISPEC5CT标准中N80钢级对硫磷含量的要求。
在轴上取样做力学性能试验,拉伸试验采用Φ6.25mm的圆棒试样,冲击试验采用10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口试样,试验温度为室温。试验结果显示,屈服强度不符合APISPEC5CT标准中对N80钢级的要求,其余试验结果均符合标准要求,但抗拉强度的富裕量也不大。
该抽油泵轴按APISPEC5CTN80钢级油管供货,但实际使用的材料的屈服强度低于APISPEC5CTN80钢级的要求,材料的显微组织为非调质组织,这无疑降低了材料的疲劳强度。
针对用36Mn2V作抽油泵轴用管出现断裂这一现象,某钢管厂对原有生产工艺作了改进,对生产的钢管进行了调质处理。在其他条件不变的情况下又生产了几批相同规格的产品发往油田试用,同时油田在钢管加工成抽油泵轴时对刀痕处进行了打磨处理,消除了疲劳裂纹源产生的可能性。在进行了上述改进后未再发生断裂现象。(榕霖)