提高机主轴抗断裂疲劳寿命可靠性预测与设计

提高机主轴抗断裂疲劳寿命可靠性预测与设计

张光金张光磊姜伟健

（山东德泰机械制造集团有限公司山东新泰271200）

摘要：通过对桩西采油厂历年的抽油杆断脱情况分析统计，对其抽油杆疲劳失效机理进行研究。根据抽油杆疲劳破坏理论，研究疲劳寿命的计算方法，建立了抽油杆受力分析模型，预测抽油杆柱的使用寿命。并进行了油井的实例应用分析。分析结论表明导致抽油杆疲劳的主要原因为抽油杆超允许应力幅工作和超疲劳寿命工作，其次为超许用应力工作。

关键词：抽油杆；断脱；疲劳机理；优化设计

疲劳破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在交变应力的作用下，逐渐发生变化和损伤积累、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。从断裂力学角度来研究抽油杆的力学特性，调整抽油机的工作参数，从而可以改善抽油杆的力学性能，提高抽油杆的强度和延长抽油杆的使用寿命。

1、调查现状

1.1抽油杆断脱情况统计

本体断裂的主要原因是超期服役疲劳，同井抽油杆新旧程度不一，服役年限不一致，其次是杆超许用应力、腐蚀、作业损伤；脱扣的主要原因是由于抽油杆不停地改变受力方向，加之受井内液流的阻力和各种摩擦力的作用，使抽油杆丝扣产生松动造成脱扣。

桩西采油厂2012-2014年共有136井次发生抽油杆失效，这三年中，抽油杆本体断裂占88%、脱扣占12%。由此看出，桩西采油厂抽油杆失效主要集中在抽油杆本体断裂

1.2抽油杆断脱原因分析

抽油杆柱由于长期受交变载荷、油井偏磨、伴生气腐蚀介质（CO2、H2S等）、结蜡等的影响，使其发生断脱事故。导致抽油杆柱断脱的原因是多方面的，下面主要从疲劳、偏磨等方面进行分析。

1）疲劳引起抽油杆断脱

桩西采油厂2013年中，抽油杆超疲劳寿命工作的井次为25（共48口），占2013年失效井次的52%；超允许应力幅工作的井次为33口，占2013年失效井次的69%；超允许用应力工作的井次为16口，占2013年失效井次的33.3%；2014年中，抽油杆超疲劳寿命工作的井次为6口（共29口），占2014年失效井次的21%；超允许应力幅工作的井次为10口，占2014年失效井次的35%，超允许用应力工作的井次为7口，占2014年失效井次的24%。2013、2014两年抽油杆超疲劳寿命工作合计占总失效井次的40%，超允许应力幅工作合计占56%，超允许用应力工作合计占30%。

由此可看出，因为疲劳导致抽油杆断脱的主要原因为抽油杆超允许应力幅工作和超疲劳寿命工作，其次为超许用应力工作。

（1）疲劳破坏对抽油杆服役期的影响。由于抽油杆在上下运动中，受到一个交变应力的作用，易引起疲劳断裂。由材料力学可知，钢材在交变应力作用下，经过一定次数的应力循环，当钢材的疲劳循环基数超过到1×107次，钢材就有疲劳破坏的可能

桩西采油厂油井冲次一般在2-6次/min，大多数油井冲次主要集中在3-6次/min，如果按107次计，就可以预算出抽油杆在不同冲次下的服役期。

2014年桩西抽油杆实际服役期占预测服役期的比例在0～0.33之间的井数为18口，占2014年失效井次（共29口）的62.1%，在0.33～0.66之间的井数为7口，占2014年失效井次的24.1%，在≥0.66的井数为4口，占2014年失效井次的13.8%。

2013、2014两年桩西抽油杆实际服役期占预测服役期的比例在0～0.33之间的井数比例为57%，在0.33～0.66之间的井数比例为29%，在≥0.66的井数比例为14%。由此可看出，大部分井次的实际服役期不到预测服役期的1/3。

2012-2014年中桩西抽油杆服役天数≤1年的占24%，1～3年的占55%，3～5年的占17%，5年以上的占4%，由此可看出桩西抽油杆服役天数主要集中1～3年。

2）偏磨引起抽油杆断脱

（1）底部受压弯曲致使杆管偏磨。直井抽油杆弯曲产生于下冲程。在下冲程时，抽油杆带着柱塞下行，固定阀关闭，排出阀打开，液柱作用在油管上，使油管伸直。而抽油杆柱承受在液柱中的重力，杆柱与液体之间的摩擦力，采出液体通过排出阀的液流阻力所产生的向上作用力，下行时特别是在活塞游动凡尔打开前的瞬间，由于泵内液体及泵筒内壁对活塞的阻力，加之以上力的作用，致使整个杆柱下部受压上部受拉，拉压之间存在既不受拉又不受压的中和点，中和点以下，杆柱受压失稳弯曲，弯曲的杆柱与油管内壁接触，相对运动造成杆管磨损。桩西采油厂2012-2014年抽油杆上部断脱占21%，中部断脱占43%，下部断脱占36%。由此看出，桩西采油厂抽油杆断脱位置主要集中在杆柱的中部和下部位置。上部杆断的主要原因是最大拉应力破坏造成，中、下部杆断的主要原因是超载疲劳，其次是偏磨。

（2）含水引起杆管磨损。当管杆相接触发生滑动摩擦时，磨损速度与它们之间的润滑状态有关，油井产出液的含水量对抽油杆和油管摩擦副的摩擦系数和磨损率具有显著影响，随着油井产出液含水量的增加，抽油杆和油管间的摩擦系数和磨损率增大；

（3）出砂引起杆管磨损。产出液含砂量增大，导致柱塞与泵筒间的摩擦力增大，从而造成杆柱下行阻力增大，加剧偏磨的发生。在高的含砂量环境中，管杆之间存在砂粒的研磨作用，可加快偏磨的发生。2012-2014年中桩西抽油杆出砂的井次比例为18%，未结蜡的井次比例为82%。由此可看出，出砂不是导致杆管偏磨的主要原因。

（4）结蜡引起杆管磨损。油井结蜡时，油管内径与抽油杆外径比值减小，导致经过结蜡点的抽油杆柱所受到的液体摩擦力急剧增加，使结蜡点上部抽油杆柱产生屈曲，从而发生偏磨。当蜡在泵筒与柱塞环空出析出时，柱塞与泵筒之间摩擦力显著增大，也可能导致杆管偏磨。2012-2014年中桩西抽油杆结蜡的井次比例为20%，未结蜡的井次比例为80%。由此可看出，结蜡不是导致杆管偏磨的主要原因。

2、抽油杆优化设计

2.1最大应力相等设计计算方法

采用最大应力相等设计的思想是：当为二级杆时，当为三级杆时，根据这个思想，可求得每级杆的比例[3]。再根据等强度设计准则，得最大下泵深度Lmax。所以可看出用最大应力相等来设计杆柱和用等强度来设计不同之处在于求每级杆柱所占比例的方法不同，而求最大下泵深度Lmax的方法是一样的，所以当我们用最大应力相等的准则来设计时，只需先把每级杆柱所占的比例求出来，当求最大下泵深度Lmax时，只需对应的替换掉等强度设计中的每级杆柱所占比例即可[4][5]。在此不再赘述最大下泵深度Lmax的求法以及过程，只求出每级杆柱所占的比例。

2.2实例分析

实例：以2013年井LHLC35为例，现在的解决方案为：在保证油井的日产量和泵效不变的前提下，方案一、二保持原来的泵径56mm不变，将光杆的冲程由原来的4.2m提高到4.8m，冲次由原来的4次/min降为3.5次/min，其它的不变；方案三、四将泵径由原来的56mm换成44mm，光杆的冲程由原来的4.2m提高到4.8m，冲次由原来的4次/min提高到5.7次/min，其它的不变。改变抽油杆的工作制度之后，对杆柱进行重新设计，光杆的最大、最小载荷都比目前生产情况下的载荷下降很多，相比较方案一、二而言，方案三、四下降更加明显；断脱处的折算应力都比目前生产情况下的折算应力下降很多，且都小于许用应力，符合当量应力强度条件；断脱处的应力差比目前生产情况下的应力差有大幅的下降，方案一、二的应力差接近于其允许的应力差，方案三、四的应力差小于其允许的应力差；断脱处的疲劳寿命比目前生产情况下的疲劳寿命有大幅的提高，方案一下的疲劳寿命为509.3万次，方案二下的疲劳寿命为556.2万次，方案三下的疲劳寿命为1237万次，方案四下的疲劳寿命为1497万次，分别是之前143.1万次的3.56倍、3.89倍、8.64倍和10.46倍，综合比较四个方案，方案三、四更为合适。

3、结束语

针对桩西采油厂2012-2014年抽油机井抽油杆断脱情况，通过统计发现，桩西采油厂抽油杆失效主要集中在抽油杆本体断裂。分析认为，导致桩西抽油杆柱断脱的原因主要是疲劳、偏磨和腐蚀。建立了抽油杆受力分析模型，根据抽油杆疲劳破坏机理和断裂力学理论，研究疲劳寿命的计算方法，预测抽油杆柱的使用寿命；通过计算，认为导致抽油杆疲劳的主要原因为抽油杆超允许应力幅工作和超疲劳寿命工作，其次为超许用应力工作。

参考文献

[1]杨海滨，狄勤丰，王文昌.抽油杆柱与油管偏磨机理及偏磨点位置预测[J].石油学报，2015.

[2]王文昌，狄勤丰，邹海洋，吴非.抽油杆柱三维力学分析及设计系统（DARS）的开发和应用[J].钻采工艺，2008.

[3]周巍，韩增军，孙成岩，何岩峰.低渗透油田有杆抽油系统优化设计新方法[J].内蒙古石油化工，2017.

[4]王文昌，狄勤丰，顾春元，杨海滨，刘松林.基于实际井眼轨迹的抽油杆柱API设计方法[J].石油钻探技术，2016.