检验抽油泵的可行性分析

摘 要：简要叙述了抽油泵在油田应用工况概述、抽油泵工作原理、分析抽油泵故障形成的原因及影响、推论故障与金相检验技术的关系。

关键词：抽油泵工作原理 油泵故障形成的原因 检验

通过性能检测和失效分析来判断零件生产工艺是否完善，寻求零件生产缺陷的原因。因此检验是保证产品质量不可或缺的重要手段。

一、抽油泵在油田的应用

抽油泵在石油领域中是不可缺少开采装备。由于油层中天然能量不足、不能喷油或喷油量较低的情况下，需要借助机械采油的方式来增加油井的产量，抽油泵采油就是机械采油方法的一种。它与各种类型的抽油机、各种规格的抽油杆配套使用，完成人工举升采油。

二、抽油泵工作原理

抽油泵主要是由泵筒、柱塞、进油阀（吸入阀或固定阀）、出油阀（排出阀或游动阀组成。上冲程时，柱塞下面的下泵腔容积增大，压力减少，进油阀在其上下压差的作用下打开，原油进入下腔；与此同时，出油阀在其上下压差的作用下关闭，柱塞上面的上泵腔内的原油沿油管排到地面。同理，下冲程时，柱塞压缩进油阀和出油阀之间的原油，关闭进油阀，打开出油阀，下泵腔原油进入上泵腔。柱塞一上一下，抽油泵完成任务了一次循环。如此周而复始，重复进行循环。

三、分析抽油泵故障形成的原因及影响

抽油泵由于自身的结构特点和特殊恶劣的工作环境，使得抽油泵使用寿命不长，随着油田不断开发，对于不同的油区，由于油藏埋藏深，原油粘度高，出砂严重，井下温度高，井筒举升困难等特点。抽油泵故障频繁发生，不仅加大了采油作业工作量，增加了采油成本，同时也严重影响了原油产量。据专家统计调查显示抽油泵故障发生有两个高峰，一是2～3年内，故障率在15%左右，另一高峰在7年以后，故障率高达32～47%。造成某油田作业抽油泵故障共有11大类问题如图（1），抽油杆断脱和油管漏的故障占的比例最大，因此必须对抽油泵进行检测，即确保油田生产的需要又降低了抽油机维修费用。

四、金相检验技术在检验抽油泵中的应用

（1）当抽油杆发生断裂时，裂纹起源于外表面划痕处，其扩展方向与最大拉伸应力方向垂直，可以观察到不连续的疲劳断裂的贝纹特征，总体比较平整，在裂纹源附近出现磨光标记，扩展区呈现黑色，断裂区占抽油杆横截面的2/5左右，呈现疲劳断裂特征。

金相试样在靠近光杆断裂部位截取，经金相显微镜观察，金相组织除回火索氏体外，还有大量沿晶界呈网状或在晶内呈针状分布的铁素体，出现了魏氏组织，粗大魏氏组织使钢材（或焊缝）塑性、韧性下降，脆性增加，从而严重影响了光杆的疲劳性能。

（2）当石油套管断裂失效时，部分断口呈“人”字形、其余断口走向基本与管子轴向垂直，断口没有出现轴向宏观裂纹、断口表面比较平整，断口处管径无明显变形，管壁没有明显减薄，可以肯定该套管属于脆性断裂。用SEM观察失效套管断面的微观形貌可见，断口表面微观形貌为典型脆性断口，断口上同一晶粒的断裂面比较平整，为片状珠光体。这种断口处材质脆性很高，所以套管失效断裂是材料韧性过低所致。

观察断口附近和远离断口的管壁材料的金相组织可见，管壁横截面组织与纵向组织相同，没有明显的轧制织构特征。组织为网状铁素体+珠光体，这种组织韧性较差，晶粒较大并均匀，晶粒度平均为4-5级，部分大晶粒达到2-3级。晶粒异常长大将导致材料韧性下降，使其脆性增加。从失效套管断口的二次裂纹扩展模式，可见裂纹扩展呈穿晶断裂，这种裂纹扩展模式通常都是脆性裂纹。

（3）油田生产中抽油泵轴断裂时有发生，对其断口宏观形貌、断裂源等进行检验。从中会发现其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2个区域，即平坦光滑区和粗糙区。平坦光滑区所占面积比较大，在此区域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，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。这类疲劳辉纹与宏观断口上看到的贝纹线并不是一回事，前者是一次交变应力循环使裂纹尖端钝化形成的微观特征，而后者是因交变应力幅度变化或载荷停歇等原因形成的宏观特征。瞬间区微观形貌为韧窝+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。

在断口位置取样检查，外壁有喷涂层，最厚处0.2mm，如图2。从图中，基体组织为珠光体+铁素体，内壁有脱碳现象，晶粒度为8级。

（4）石油油管断裂失效，断裂位置位于公扣螺纹的根部末端。将油管接箍剖开取出断裂的公扣螺纹，断口的宏观面貌左半部分断口整齐平齐，呈现脆性断裂的特征，是断裂的起始区域。右半部分的断口表面与油管轴线成45°的夹角方向撕裂，但断口表面没有明显的塑性断裂特征，根据断裂部位的表面特征宏观分析为脆性断裂。

对断裂油管和正常位置的金相显微组织进行分析，发现材料存在较严重的成分偏析现象。断裂油管的断裂位置的金相组织存在有带状马氏体组织，而正常油管位置的金相显微组织中未见马氏体组织。

五、结论

抽油泵的下井作业费用昂贵，因装置长期在高温、高压、腐蚀、冲蚀的恶劣条件下服役，会产生裂纹、断裂、疲劳以致失效，将直接影响到石油采收率及油田生产效益。为此这就需要对其宏观微观断口进行分析，并且在失效部位取样进行金相组织分析，配合必要的力学性能试验，化学成分分析等手段，分析失效原因，显示损坏部位的失效程度，为检验人员做出正确的处理意见而提供科学的依据，是检验技术水平提高到一个新的水平。

参考文献

[1]葛占玉，鲁延丰.抽油泵泵阀的运动规律研究[J].石油大学学报，1995，19（1）：66-69

作者简介：胡丽媛（1981-10-05），女，助理工程师，2004年毕业于山东石油大学企业管理专业，现从事金属材料的金相检验。