(2.41)--金属构件失效分析.ppt

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1、HL HL 型型抽油杆抽油杆 断裂断裂失效分析失效分析01020304案例背景(Case background)检验分析(Test analysis)失效分析（Failure Analysis）结论建议（Conclusion Suggestions）目录目录CONTENT01案例背景Case backgroundPART ONE1.HL型抽油杆简介 美美国国石石油油协协会会标标准准APIAPI和和我我国国的的石石油油行行业业标标准准SY-SY-50295029根根据据抽抽油油杆杆的的强强度度将将钢钢制制抽抽油油杆杆分分成成C C、D D和和H H级级。H H级级抽抽油油杆杆又又称称高高强强度度

2、抽抽油油杆杆，根根据据H H级级抽抽油油杆杆制制造造工工艺艺的的不不同同，上上述述标标准准又又将将H H级级抽抽油油杆杆分分成成HYHY型型和和HLHL型型。经经表表面面淬淬火火工工艺艺生生产产的的H H级级抽抽油油杆杆成成为为HYHY型型抽抽油油杆杆;杆杆体体的的高高强强度度依依靠靠杆杆体体整整体体性性能能来来获获得得的的材材料料型型H H级级抽抽油油杆杆则则称称为为HLHL型型抽抽油油杆杆，相相较较于于HYHY型型抽抽油油杆杆，HLHL型型抽抽油油杆杆在在我我国国油油田田使使用用的的更更为为广广泛泛，根根据据标标准准规规定定其其屈屈服服强强度度应应不不低低于于793 793 MPaMPa。

3、2.HL型抽油杆失效背景5 20142014年年，我我国国某某公公司司连连续续发发生生数数起起HLHL级级抽抽油油杆杆柱柱断断裂裂失失效效事事故故，断断裂裂抽抽油油杆杆承承受受的的最最大大载载荷荷为为59.13kN59.13kN，应应力力比比为为0.320.32，服服役役时时间间最最短短的的仅仅9898天天，平平均均服服役役时时间间不不足足200200天天。抽抽油油杆杆的的频频繁繁断断裂裂不不仅仅造造成成该该公公司司修修井井成成本本的的大大幅幅增增加加，同同时时由由于于修修井井导导致致的的停停产产扰扰乱乱了了公公司司正正常常的的生生产产运运营营造造成成更更为为严严重重的的经经济济损损失失。据据

4、介介绍绍，这这批批失失效效抽抽油油杆杆均均在在水水井井中中使使用用，与与其其接接触触的的介介质质为为高高矿矿化化度度的的地地层层水水，地地层层水水中中溶溶解解了了浓浓度度较高的二氧化碳，且含有一定量的较高的二氧化碳，且含有一定量的氯离子氯离子。02检验分析Test analysisPART TWO良性循环良性循环 失失效效抽抽油油杆杆的的宏宏观观形形貌貌如如图图所所示示，抽抽油油杆杆的的断断口口都都位位于于抽抽油油杆杆杆杆体体端端部部镦镦锻锻过过渡渡区区圆圆弧弧消消失失处处前前沿沿，绝绝大大多多数数断断口口距距离离外外螺螺纹纹台台肩肩端端面面100100140mm140mm处处，这这些些抽抽油

5、油杆杆断断口口附附近近宏宏观观表表面面状状态态较较好好，无无明明显显的的表表面面缺缺陷陷，个别抽油杆肉眼能观察到较浅的个别抽油杆肉眼能观察到较浅的腐蚀腐蚀坑坑。1.宏观分析 对失效抽油杆进行宏观断口分析，断口平坦呈现疲劳断口特征。从断裂发生在距离外螺纹台肩端面100140mm处的这类断口中挑选出3个表面锈蚀情况较轻的断口进行扫描电镜分析，可以发现断口呈现3个明显的特征区域，即疲劳源区、疲劳区和瞬断区。2.断口分析良性循环良性循环 在失效抽油杆上取样依据GB/T43362002碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)标准进行化学成分分析，结果如下表所示。由化学成分分析的结果可知，失

6、效抽油杆材质为30CrMo合金结构钢，材质符合 GB/T 260752010抽油杆用圆钢标准的要求。3.成分分析良性循环良性循环4.力学性能分析 在失效抽油杆杆体和镦锻过渡区上分别取拉伸试样和冲击试样进行检测；在镦锻过渡区取样时，经常发生断裂的区域，如图3中的灰色区域，被刻意地放置到拉伸试样的中间；冲击试验取样时，U 型缺口也被刻意地开在经常发生断裂的区域。良性循环良性循环4.力学性能分析 检测结果如表所示。结果表明，抽油杆的拉伸、冲击性能满足SY/T50292013抽油杆标准对 HL 型高强度抽油杆的要求。良性循环良性循环5.微观组织分析 在失效抽油杆断口两侧分别切取金相试样，如图所示，其中

7、靠近杆体断口附近沿纵向每间隔15mm切取一个金相试样，总计切取7 个，切取长度105mm;靠近杆体接头断口附近沿纵向切取2个金相试样完全覆盖镦锻过渡区，每个试样长度约30mm，所有试样以疲劳源点为起点沿径向剖开，观察纵截面A-A，其取样位置如图所示。金相显微分析在OLYPUMS PMG3型金相显微镜金相上进行。良性循环良性循环5.微观组织分析 由金相分析结果可知失效抽油杆杆体的组织为回火索氏体(S回)，如图所示，为30CrMo合金钢典型的调质组织，其晶粒度为9级，抽油杆杆体组织未见异常。良性循环良性循环5.微观组织分析 断口杆体一侧与断口接头一侧附近金相分析结果如表所示。在1号、2号、3号试样

8、表面观察到氧化脱碳层、腐蚀坑及微裂纹。3个试样上的表面裂纹均出现在金相试样的一侧表面，另一侧仅观察到腐蚀坑、氧化脱碳层，未见裂纹。1号、2号、3号试样表面微裂纹与疲劳源点位于同一侧表面，且均位于腐蚀坑坑底，与腐蚀坑相连，其中1号试样表面共出现33条微裂纹；2号试样表面共出现31条微裂纹；3号试样表面共出现15条微裂纹，最长裂纹达到0.3mm以上，如图6所示。1号、2号、3号试样单位长度上的裂纹数量几乎相同。在试样的4-9点表面仅观察到氧化脱碳层及腐蚀坑，坑底并未见到裂纹。0良性循环良性循环5.微观组织分析 从从金金相相检检测测结结果果可可以以看看出出:在在腐腐蚀蚀疲疲劳劳初初期期，抽抽油油杆杆

9、表表面面固固有有的的电电化化学学不不均均匀匀性性和和疲疲劳劳损损伤伤导导致致滑滑移移带带形形成成所所造造成成的的电电化化学学不不均均匀匀，腐腐蚀蚀的的结结果果将将在在抽抽油油杆杆表表面面形形成成点点蚀蚀坑坑，尤尤其其是是疲疲劳劳损损伤伤导导致致的的电电化化学学不不均均匀匀在在有有氧氧化化脱脱碳碳层层存存在在的的条条件件下下则则更更易易形形成成;点点蚀蚀坑坑破破坏坏了了抽抽油油杆杆截截面面的的连连续续性性导导致致应应力力集集中中将将在在腐腐蚀蚀坑坑底底部部诱诱发发疲疲劳劳裂裂纹纹，当当应应力力强强度度因因子子幅幅 K K 大大于于腐腐蚀蚀疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展门门槛槛值值 K K th th

10、时时裂裂纹纹将将发发生生扩扩展展直直至至断断裂裂;另另外外，腐腐蚀蚀疲疲劳劳条条件件下下往往往往同同时时有有多多条条疲疲劳劳裂裂纹纹形形成成，并并垂垂直直于于拉拉应应力力方方向扩展，而空气中的疲劳则向扩展，而空气中的疲劳则往往只有往往只有一条疲劳裂纹。一条疲劳裂纹。6.显微硬度分析 对1号、2号、3号、4号、9号试样进行显微硬度测试(HV1)，其中1号、2号、3号试样为镦锻过渡区及影响区，9 号试样为杆体。结果表明镦锻过渡区纵截面，硬度均匀且与杆体硬度相当，其平均硬度值在 335345 HV1范围内波动，03失效分析Failure AnalysisPART THREE1 断裂失效的抽油杆属于3

11、/4英寸(19mm)HL型高强度抽油杆，由微观组织与显微硬度检测结构可以推断该抽油杆采用30CrMo 合金结构钢圆钢经局部加热镦锻后形成端部的镦粗段，再经整体调质处理、机械加工后形成最终抽油杆产品。失效抽油杆断裂位置通常处于距离外螺纹台肩端面 100140mm的范围内，即通常认为的镦锻热影响区。但是试验结果表明抽油杆镦锻过渡区及其附近杆体的力学性能与杆体并无明显差异(包括冲击性能、屈服强度、伸长率、断面收缩率、抗拉强度及硬度)，主要是由于抽油杆采用了整体调质处理工艺基本消除了镦锻热影响区对抽油杆力学性能的不利影响。失效抽油杆工作时主要承受交变的拉-拉载荷，兼有弯曲载荷，最大轴向拉应力max不足

12、200MPa，远小于抽油杆的屈服强度，失效抽油杆服役时间最短98天，最长345天，断口平坦具有明显的疲劳断裂特征。此外，通过金相观察发现杆体表面形成的微裂纹均出现在腐蚀坑的底部，且杆体表面有明显的氧化脱碳。失效抽油杆工作介质为矿化度较高的地层水，据此可以判断抽油杆断裂失效形式为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳是抽油杆较为常见的一种失效形式，交变载荷与腐蚀介质联合作用导致抽油杆发生了低应力脆性断裂。2 从抽油杆裂纹萌生的部位来看，裂纹只在抽油杆的一侧表面萌生进而扩展最终导致抽油杆的断裂，说明抽油杆易形成裂纹一侧具有促进裂纹萌生的应力状态。由于失效抽油杆服役的井为定向井，抽油杆在服役时，除了承受轴向交变的拉-拉

13、载荷，抽油杆柱在某些井段还将承受较大的弯矩，这就导致抽油杆横截面一侧受拉应力，另一侧则受压应力。在含有腐蚀性介质的环境里，拉应力会促进裂纹的形成，因此在受到拉应力作用的一侧观察到大量的微裂纹，而在受压应力作用的一侧则只发生腐蚀并没有发现裂纹。金相观察发现在失效抽油杆镦锻过渡区及其前沿3060mm的范围内存在裂纹，此区域之外的杆体未见裂纹。抽油杆镦锻过渡区存在截面突变从而导致应力集中，但应力集中的作用将随着横截面远离镦锻过渡区结束点而逐渐减弱直至在距结束点某一距离的横截面上应力将均匀一致。过高的表面应力和弯曲导致的拉应力相互叠加使得裂纹更容易在此区域内形成。另外。表面脱碳层的存在将使得疲劳裂纹更

14、易萌生，对抽油杆的疲劳寿命亦产生不利的影响。需要指出的是腐蚀疲劳没有疲劳极限，即材料在腐蚀介质中，即使承受的疲劳载荷很小也会发生疲劳失效，并且提高材料的强度对于提高材料的腐蚀疲劳寿命作用非常有限，有时甚至会起到相反的作用。3 综上所述，腐蚀疲劳是导致抽油杆断裂失效的主要原因，又由于抽油杆的结构因素导致断裂失效部位集中发生在抽油杆镦锻过渡区及其前沿 3060mm区域内，可以说是抽油杆的结构因素、腐蚀性介质、周期性载荷及抽油杆表面质量等因素的共同作用导致抽油杆失效事故频发。04结论建议Conclusion SuggestionsPART FOUR信息与控制工程学院 自动化（拔尖）1305班结论和建

15、议失失效效的的抽抽油油杆杆采采用用30CrMo30CrMo合合金金结结构构钢钢整整体体调调质质处处理理制制造造，其镦锻过渡区处的力学性能与基体并其镦锻过渡区处的力学性能与基体并无明显异。无明显异。腐腐蚀蚀疲疲劳劳是是引引起起抽抽油油杆杆低低应应力力脆脆断断的的主主要要原原因因。抽抽油油杆杆镦镦锻锻过过渡渡区区截截面面突突变变导导致致的的应应力力集集中中是是造造成成腐腐蚀蚀疲疲劳劳断断裂裂经经常发生在该区域的常发生在该区域的主要原因。主要原因。锻锻造造和和热热处处理理造造成成抽抽油油杆杆表表面面的的氧氧化化脱脱碳碳也也会会加加速速疲疲劳劳裂裂纹的形成导致抽油杆疲劳寿命纹的形成导致抽油杆疲劳寿命的降低。的降低。通通过过优优化化抽抽油油杆杆结结构构设设计计、向向井井内内添添加加缓缓蚀蚀剂剂、防防止止抽抽油油杆杆表表面面氧氧化化脱脱碳碳以以及及抽抽油油杆杆表表面面处处理理可可以以有有效效预预防防抽抽油油杆杆腐蚀疲劳断裂的发生腐蚀疲劳断裂的发生。谢谢 谢谢