潛油電泵是一種在海上油田廣泛應(yīng)用的機(jī)械采油工具,電泵法蘭連接螺栓是井下工具的附件,起著關(guān)鍵的作用,一旦螺栓出現(xiàn)斷裂會(huì)影響泵的使用,進(jìn)而影響油田的安全生產(chǎn)。 

某海上油田生產(chǎn)井電泵在服役過(guò)程中出現(xiàn)故障,油嘴處無(wú)流動(dòng)。在提管柱修井的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)電泵從泵頭法蘭面處脫開(kāi)并落井。泵頭法蘭螺栓斷裂現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示,經(jīng)查閱資料,斷裂的螺栓強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí),材料為35CrMo鋼。 

圖  1  泵頭法蘭螺栓斷裂現(xiàn)場(chǎng)

已知該井于2010年12月投產(chǎn),開(kāi)采層位為L(zhǎng)60-L90,最大井斜為16.54°。該井正常生產(chǎn)時(shí)計(jì)量日產(chǎn)液為478 m3/d,泵吸入口壓力為2.64 MPa,生產(chǎn)壓差為8.36 MPa,采液指數(shù)為57 m3·d–1·MPa–1。修井前取樣化驗(yàn)H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.9×10–4,CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%。所有管柱及工具下井時(shí)間為2020年1月。螺栓服役過(guò)程中處于受拉狀態(tài),且周?chē)嬖诟g性介質(zhì)。 

筆者采用宏觀觀察、斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法分析螺栓斷裂的原因,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

從泵頭連接處取回7根不完整的螺栓,除油清洗螺栓后,將斷裂螺栓與完好螺栓的長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)有4根斷裂螺栓由頭部退刀槽處開(kāi)始斷裂,另外3根螺栓由中部開(kāi)始斷裂,螺栓斷口表面銹蝕和氧化嚴(yán)重,斷裂螺栓宏觀形貌如圖2所示。 

圖  2  斷裂螺栓宏觀形貌

反復(fù)對(duì)螺栓進(jìn)行石油醚超聲清洗和弱酸+緩蝕劑除銹,觀察7根螺栓的斷口,發(fā)現(xiàn)從中部斷裂的兩根螺栓（分別標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)）斷口較平齊,放射棱線指向螺紋根部,在垂直放射線處還可隱約看見(jiàn)弧線,具有疲勞斷裂的形貌特點(diǎn)[1]。其余5根螺栓的斷面起伏較大,還有明顯的塑性變形和創(chuàng)傷,判斷是二次損傷造成的破壞。1號(hào)螺栓斷口宏觀形貌如圖3所示。 

圖  3  1號(hào)螺栓斷口宏觀形貌

1.2   斷口分析

采用掃描電鏡（SEM）對(duì)1號(hào)螺栓斷口進(jìn)行分析,首先觀察斷口附近的螺紋面,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：螺紋面上可見(jiàn)多處點(diǎn)腐蝕[見(jiàn)圖4a)],某些區(qū)域有點(diǎn)腐蝕坑聚集的現(xiàn)象；螺紋根部存在微小裂紋[見(jiàn)圖4b)]。用掃描電鏡自帶能譜儀分析螺紋腐蝕凹坑區(qū)域,發(fā)現(xiàn)除了Fe、C、O、Cr、Mn等元素外,還有少量的S元素和Cl元素。 

圖  4  1號(hào)螺栓斷口SEM形貌

用體視顯微鏡觀察螺栓的斷面,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口存在明顯的放射棱線,棱線指向螺紋根部,呈疲勞斷裂的形貌特征；棱線匯聚的源區(qū)共有兩處,一處為主源區(qū),另一處為次源區(qū),主源區(qū)附近有若干小的腐蝕凹坑,且呈沿晶裂紋形貌特征；次源區(qū)裂紋源萌生于點(diǎn)腐蝕坑,源區(qū)附近呈冰糖狀的沿晶裂紋形貌特征,初步判定該裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋[2]。 

圖  5  螺栓斷口微觀形貌

繼續(xù)觀察螺紋斷面源區(qū)靠后的位置,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：垂直放射線方向存在小裂紋[見(jiàn)圖6a)],同時(shí)可見(jiàn)疲勞弧線和疲勞條帶特征[見(jiàn)圖6b)]。 

圖  6  螺栓斷口疲勞裂紋微觀形貌

1.3   化學(xué)成分分析

在1號(hào)螺栓斷口下方10 mm處取樣,采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,依照GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)螺栓進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：其C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%,Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.94%,該螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)35CrMo鋼的要求；同時(shí)該螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)中碳鋼（添加合金元素）化學(xué)成分的要求。 

1.4   硬度測(cè)試

采用維氏硬度計(jì)測(cè)量1號(hào)螺栓螺紋處的顯微硬度,測(cè)試結(jié)果分別為：417,416,424 HV。GB/T 3098.1—2010對(duì)8.8級(jí)螺栓標(biāo)準(zhǔn)顯微硬度的要求為250~320 HV,1號(hào)螺栓的硬度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限,增大了螺栓的強(qiáng)度,卻減弱了螺栓的塑性和韌性,增強(qiáng)了螺栓對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性[3]。 

1.5   金相檢驗(yàn)

沿著1號(hào)螺栓橫向截取試樣,沿著2號(hào)螺栓縱向截取試樣,取1號(hào)螺栓的橫截面,2號(hào)螺栓的縱截面,依照GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)試,將試樣磨拋后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：試樣表面沒(méi)有明顯的夾雜物；2號(hào)螺栓試樣下螺紋根部存在一條與斷口平行的微裂紋,螺栓面上還有多處點(diǎn)腐蝕坑[見(jiàn)圖7a)]；裂紋走向曲折,長(zhǎng)度約為1 mm[見(jiàn)圖7b)]；2號(hào)螺栓試樣斷口附近存在微小裂紋,推測(cè)該裂紋屬于腐蝕環(huán)境下引起的應(yīng)力腐蝕裂紋[4]。 

圖  7  2號(hào)螺栓縱向截面螺紋部位拋光態(tài)微觀形貌

用硝酸乙醇溶液對(duì)1號(hào)和2號(hào)螺栓試樣進(jìn)行腐蝕,依照GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：1號(hào)和2號(hào)螺栓試樣顯微組織均為回火索氏體,螺栓試樣顯微組織均勻,沒(méi)有明顯粗大或異常的組織。 

圖  8  螺栓表面顯微組織形貌

2.   綜合分析

該螺栓在服役時(shí)承受拉應(yīng)力,同時(shí)潛油電泵法蘭連接螺栓周?chē)鸀楦g性介質(zhì)環(huán)境,導(dǎo)致螺栓根部發(fā)生點(diǎn)腐蝕,且附近電泵存在一定振動(dòng),使螺栓受到一定的交變載荷,在交變載荷的作用下,螺栓發(fā)生腐蝕疲勞直至斷裂。腐蝕疲勞是在交變載荷和腐蝕性介質(zhì)的交互作用下形成裂紋及裂紋擴(kuò)展的失效機(jī)制,由于腐蝕性介質(zhì)會(huì)顯著降低材料的疲勞極限,相比一般的機(jī)械疲勞,腐蝕疲勞的破壞性更嚴(yán)重。螺栓所受的交變載荷來(lái)自于螺栓的預(yù)緊力(主要為拉應(yīng)力) 及電泵工作產(chǎn)生的振動(dòng)引起沖擊載荷的共同作用。螺栓的疲勞裂紋源位于螺紋根部,該位置在結(jié)構(gòu)上屬于應(yīng)力集中區(qū)域[5-6],另外,螺紋的滾壓工藝不良造成螺紋根部圓角較小,同樣會(huì)使螺栓根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。 

根據(jù)螺栓斷口的微觀分析結(jié)果,可以確定1號(hào)螺栓發(fā)生疲勞斷裂,1號(hào)螺栓的斷裂過(guò)程為：在CO2、H2S、Cl-及液體環(huán)境作用下,在螺紋面產(chǎn)生多處點(diǎn)腐蝕坑；由腐蝕坑引起沿晶應(yīng)力腐蝕微裂紋；在電泵的振動(dòng)應(yīng)力作用下,應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展,直至1號(hào)螺栓最終斷裂,受力不均使其余螺栓快速斷裂。 

斷裂螺栓斷口附近的螺紋存在小的開(kāi)裂區(qū)域,裂紋源處存在大量沿晶微裂紋,呈樹(shù)枝狀分布,具有應(yīng)力腐蝕裂紋形貌特征。在交變載荷的作用下,螺栓表面產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕凹坑,疲勞源附近的微裂紋向螺栓基體材料內(nèi)部擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。螺栓在服役期間承受的預(yù)緊力為應(yīng)力腐蝕的發(fā)生提供了必要的應(yīng)力條件,同時(shí)電泵法蘭螺栓附近周?chē)橘|(zhì)工況復(fù)雜,含有H2S、CO2、Cl–及其他腐蝕性液體,螺栓與這些腐蝕性介質(zhì)接觸后發(fā)生腐蝕,在螺栓表面形成初期的點(diǎn)腐蝕凹坑,在結(jié)構(gòu)件表面形成向材料內(nèi)部縱深方向擴(kuò)展的裂紋,這些裂紋成為疲勞源[7-10]。 

3.   結(jié)論與建議

3.1   結(jié)論

該螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂,疲勞裂紋均起始于應(yīng)力集中系數(shù)大的螺紋根部的點(diǎn)腐蝕坑上,螺紋面上的點(diǎn)腐蝕坑最先引起沿晶應(yīng)力腐蝕微裂紋,后續(xù)在電泵振動(dòng)應(yīng)力及拉力的共同作用下,應(yīng)力腐蝕微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,直至螺栓發(fā)生疲勞斷裂。 

3.2   建議

（1）加強(qiáng)潛油電泵法蘭連接的日常檢查工作,避免裝備故障影響生產(chǎn)。 

（2）優(yōu)化螺紋滾壓加工工藝,增大螺栓的螺紋根部結(jié)構(gòu)圓角,減輕螺紋根部的應(yīng)力集中程度。 

（3）采用耐點(diǎn)腐蝕性更強(qiáng)的材料,避免在應(yīng)力集中處附近產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕及微裂紋。

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