30CrMo光杆断裂失效原因分析

杨 琦，王尚卫，程 飞，曹 峰，王军利，甘 江，赵元雷，李德君

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司 陕西 西安 710077；

2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院 陕西 西安 710021；

3.中国石油长庆油田分公司低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 陕西 西安 710022 4.中国石油长庆油田分公司第八采油厂 陕西 西安 710016；

5.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司 山西 晋城 048204)

光杆是连接抽油杆与悬绳器的特制“抽油杆”。目前油田上使用的光杆主要是喷焊光杆，即通过对普通光杆表面进行回火冷拔、校直、漏磁探伤、墩粗、热喷涂、热处理和精磨等特殊处理，使光杆表面形成具有耐磨性和抗腐蚀的涂层。该涂层与基体为冶金结构结合，不会产生剥落和开裂，并使光杆具有高强度和较好的防腐性能。由于光杆处于抽油杆柱的最上部，所承受的载荷较大，所以光杆在使用中经常发生断裂失效，严重地影响了油气井的正常生产[1-2]。本文对某油气井发生的断裂失效的光杆进行了断口宏观与微观形貌分析和杆体理化性能试验，并对该光杆断裂失效的原因进行了分析。

1.1 断口形貌分析

发生断裂失效的光杆为Φ25 mm HL级光杆，在油气井中使用了125 d后发生了断裂失效，断裂位置在光杆卡子下端约50 mm处，断裂失效的光杆宏观形貌如图1所示。由现场提供的资料可知，断裂失效光杆使用时承受的最大载荷为65.27 kN，最小载荷为29.12 kN，应力比为0.45，平均冲次为3.67 次/min，该光杆断裂时累计运行冲次约为66万次。

图1 失效光杆宏观形貌

对失效光杆断口表面用醋酸纤维脂和丙酮试剂进行清洗后，用VEGA II型扫描电子显微镜(SEM)分析该断口的微观形貌，断口表面的微观形貌如图2所示。由图2(a)可以看出，绝大部分的断口区域为平坦形状，无明显宏观塑性变形。断口表面存在三个不同特征的区域，即疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区[3]，疲劳源区和裂纹扩展区表面为平坦形状，该平面与光杆的轴向垂直。瞬断区表面是斜面，该斜面与光杆轴向的夹角约为35°，为裂纹最后失稳扩展区域。由图2(b)可见，裂纹起源于光杆的次表面，位于光杆喷焊层下的杆体表面或次表面，基体和喷焊层明显分离，如图2(c)所示，裂纹起源于喷焊层之下的光杆杆体表面，并向杆体内部扩展，直至杆体发生失稳断裂。高倍下裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹形貌，如图2(d)所示。

图2 失效光杆断口SEM形貌

1.2 化学成分分析

在失效光杆上取样，用ARL4460型直读光谱仪依据GB/T 4336—2016标准进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，抽油杆材料为30CrMo合金结构钢，且各元素含量均符合GB/T 26075—2010标准的要求。

1.3 金相分析

将失效光杆断口整体切割下来并沿纵向剖开制成金相试样，用OLS 4100激光共聚焦显微镜对光杆断口附近的金相组织、晶粒度和喷焊层厚度进行分析。金相试验结果表明，失效光杆断口附近杆体组织主要为回火索氏体S回，但在杆体表面之下约6 mm处直至杆体芯部的组织中出现了一定数量的上贝氏体B上，如图3所示，晶粒度为11级。金相组织为回火索氏体的钢铁材料具有良好的综合机械性能，而B上为脆性相，且其强度低，即B上金相组织会降低钢铁材料的强度和韧性[4-5]。选取三个点进行喷焊层厚度测量，结果分别为0.261 mm、0.262 mm和0.261 mm，如图4所示。

图3 断口附近金相组织

图4 断口附近的喷焊层

SY/T 5029—2013 标准要求光杆的喷焊金属层厚度应为0.20～0.51 mm，喷焊层厚度检测结果表明，送检光杆喷焊层厚度符合SY/T 5029—2013 标准的要求。

1.4 显微硬度分析

用DuraScan70G5显微维氏硬度计对失效杆体喷焊层与杆体显微硬度进行检测。在断口附近的杆体喷焊层内随机选取6个点进行显微硬度测试，测试结果见表2。SY/T 5029—2013标准要求光杆喷焊层的硬度不小于480 HV0.2，由检测结果可知，失效光杆的喷焊层硬度低于SY/T 5029—2013标准的要求。在光杆的杆体上，随机切取试样测试杆体喷焊层硬度，检测结果见表2。检测结果表明，被检测的光杆的杆体上12个点中仅有4个点的硬度达到了标准要求，其余8个测试点的硬度值均低于标准要求的最低值，但光杆杆体上的硬度值高于断口附近的硬度值。

表2 喷焊层显微硬度检测结果

图5是所测试的失效光杆横截面沿径向由表面向芯部显微硬度值。从图5可见，在断口附近杆体横截面上沿杆体的直径方向由喷焊层向杆体芯部的显微硬度最高值为喷焊层的硬度，喷焊层与杆体界面附近(近杆体一侧)基体的硬度值为最低硬度值，仅为328 HV0.2，离该区域约1 mm杆体的显微硬度提高至382 HV0.2，离心部较近杆体的显微硬度值为354 HV0.2。

1.5 力学性能检验

在失效光杆杆体上取拉伸试样，依据GB/T 228.1—2010标准进行纵向拉伸性能试验，拉伸性能试验结果见表3。在该井光杆杆体上沿纵向取冲击试样，依据GB/T 229—2007标准进行杆体冲击性能试验，冲击试验结果见表4。从表3和表4可见，失效光杆杆体的力学性能符合SY/T 5029—2013标准对HL型高强度抽油杆的要求。

表3 光杆杆体力学性能测试结果

表4 光杆杆体夏比U型缺口冲击试验结果

对失效光杆进行了断口形貌分析、化学成分分析、金相分析、显微硬度分析以及力学性能分析。试验分析结果表明，断口表面区域平坦、无明显宏观塑性变形，裂纹起源于喷焊层之下的杆体表面。化学成分各元素含量符合GB/T 26075—2010标准的要求。金相分析显示其喷焊层厚度符合SY/T 5029—2013标准的要求。显微硬度试验的12个部位的硬度值仅有4个部位的硬度符合SY/T 5029—2013标准的要求。力学性能试验结果符合SY/T 5029—2013标准的要求。

根据疲劳萌生的规律，在应力水平相同的条件下，疲劳裂纹容易在硬度较低部位萌生[6-7]。由显微硬度试验结果可知，断口附近杆体横截面上的硬度值不相同，喷焊层与杆体界面附近、近杆体侧以及杆体的硬度值最低仅为328 HV0.2，而距离该区域约1 mm杆体的显微硬度为382 HV0.2，杆体芯部的显微硬度为354 HV0.2。断口微观形貌分析时观察到的裂纹源位置是显微硬度检测值最小的部位，符合疲劳裂纹萌生的规律[8]。

表面喷焊层厚度符合SY/T 5029—2013标准的要求，但喷焊层的硬度低于SY/T 5029—2013标准的要求，尤其是断口附近喷焊层硬度显著低于标准要求。喷焊时杆体表面被加热是导致杆体表面硬度降低的主要原因。喷焊作为一种表面强化方法可提高杆体疲劳性能，但是无论采用何种表面强化技术，在硬化层内侧(靠近基体一侧)都会出现残余拉应力，残余拉应力和工作应力叠加的区域则会产生疲劳裂纹，即该区域会成为疲劳源，如该光杆的疲劳源就位于杆体的次表面。为了防止类似失效事故的发生，对表面强化层的厚度一般都有要求，断裂失效的光杆的硬化层厚度测试结果为0.26 mm，略高于标准要求的下限0.20 mm，且喷焊层厚度不均匀。当喷焊层较薄时，残余拉应力最大值往往会出现在基体的近表面(杆体喷焊前的表面)，即本次失效光杆杆体横截面硬度最低的区域，残余拉应力与工作应力叠加，促进了疲劳裂纹的萌生，从而了减少了光杆的疲劳寿命[9-10]。

综合以上分析，根据SY/T 5029—2013标准的要求，HL级抽油杆循环周次应大于100万次，而断裂失效的30CrMo抽油光杆断裂前使用周次仅为66 万次，服役时承受交变的拉-拉载荷，最大应力σmax小于200 MPa，小于光杆杆体的屈服强度。失效光杆为疲劳失效，喷焊层硬度不合格以及光杆材料存在B上金相组织是导致该光杆早期疲劳失效的主要原因。

1)失效的30CrMo抽油光杆化学成分和力学性能符合SY/T 5029—2013标准的要求，喷焊层硬度低于SY/T 5029—2013标准的要求。

2)失效的30CrMo抽油光杆失效模式为疲劳断裂，裂纹起源于光杆喷焊层之下的光杆杆体表面。杆体表面/次表面硬度低于横截面其它部位，光杆喷焊层厚度仅0.26 mm，略高于标准要求最低值。喷焊层硬度不合格以及光杆杆材存在B上金相组织是导致该光杆早期疲劳失效的主要原因。

3)建议加强光杆热处理工艺和喷焊工艺控制，改善光杆杆体材料的金相组织，同时加强光杆的出厂质量检验。

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