表面复合强化新工艺在抽油杆修复中的应用

摘要 在系统地分析国内现行旧抽油杆各种修复工艺的基础上，试验研究了一种旧抽油杆表面复合强化修复新工艺。这种新工艺流程为：选杆→中频加热感应除油→清洗→修螺纹→调质热处理（中频淬火+高温回火）→矫直→探伤→高频淬火＋低温回火→喷丸形变强化→涂漆、包装。经表面复合强化处理后，旧D级杆的抗拉强度和疲劳强度等性能指标达到了工艺型超高强度杆水平。修复的抽油杆现场使用表明，已有两口井的抽油杆运行超过3.8X10⁶次，收到良好的效果。

      关键词 表面强化工艺；应用；抽油杆，修复

1 前言

目前，抽油杆所用材料主要有20CrMo、35Mn2等调质钢，42CrMo正火与回火钢，以及近几年发展的部分非调质钢。抽油杆的直径通常有19mm、22mm、25mm等几种型号，杆的长度约7600~9000mm。

       服役条件下，油井含较高的Cl^-、S^2-等离子，与抽油杆表面做作用后，首先使表面产生腐蚀裂纹。在随后的拉伸交变载荷作用下，裂纹发生疲劳扩展，并最终导致杆的疲劳断裂，从而使整个杆柱失效。所以，抽油杆的主要失效形式是腐蚀疲劳断裂。

       20世纪80年代前，由井下取出的使用使用接近寿命的抽油杆，论其损伤程度如何均一律报废，更换新杆下井使用。每口井按平均1200m下井深度计算，仅胜利油田就有10000余口生产井，需1200万 m。每年更换30%，即需360余万 m。目前市场价平均约为23元/m，每年计划采购新杆资金8000余万元。

20世纪80年底中后期，国内开始对回收的旧抽油杆开展系统的修复试验研究。在一系列研究成果的推动下，迄今为止已先后建立了约13条旧抽油杆修复生产线，对抽油杆的合理使用和降低采油成本起到了很大的作用。与此同时，应该看到，各种修复生产线采用的修复工艺，还存在很大的差别，工艺流程不尽合理，概括起来有如下四种：

1）洗（热水、高压水、火焰烧灼）+表面检验+涂漆包装；

2）洗+表面喷丸强化+涂漆包装

3）清洗+调质处理＋表面喷丸强化+涂漆包装

4）清洗+表面高频淬火+表面喷丸强化+涂漆包装

      上述第1种不对旧杆作任何材质处理，又作表面强化处理；第四种只对旧杆作二次（高频淬火+喷丸）表面强化处理，而不对旧杆的材质处理。

上述第1种不对旧杆作任何材质处理；第二种对旧杆作表面强化处理；第三种只对旧杆作二次（高频淬火+喷丸）表面强化处理，而不对旧杆作材质处理。

      在分析国内现存修复工艺的基础上，胜利石油管理局特修厂采用了一种比上述四种工艺更为合理的的修复工艺，即对旧杆采取特殊的调质处理和特殊的高频表面淬火处理。特殊的调质处理使抽油杆体具备较高的机体强度，二次表面喷丸强化又使杆具备很高的疲劳强度，因此它是区别于上述四种修复工艺的一种更为先进的旧杆修复工艺。

2 表面复合强化工艺新工艺流程

笔者所采用的表面复合强化新工艺流程如下：

选杆→中温回火→清洗→修螺纹→中频淬火→矫直→探伤→高频淬火→喷丸→涂漆、包装。

       中温回火可消除杆中部分残余应力，但主要是熔化表面残留的油、蜡等，热杆直接进入清洗装置中进一步清洗表面，亲水率≥80%。然后经中频淬火和中频高温回火处理，使得杆体获得获得回火索氏体组织，从而具备较高的综合机械性能。再经高频表面薄壳淬火和余热低温回火，使杆的表层（1.5-2.5mm）生成低温回火板条位错马氏体组织。这种低碳马氏体组织不仅具有很高的抗拉强度，同时还具备足够的韧性。最后再经表面喷丸强化处理。这种心部与表层的残余压应力场，使修复后的杆比原始杆具备更高的抗拉强度和疲劳强度。

3 试验方法

      试样采用19mm、22mm两种几何尺寸的20CrMo调质钢旧杆，除了硬度试样、金相试样取自φ22mm的杆以外，残余应力的试样和力学性能试样均取自同一根φ19mm的旧杆。

（1）硬度测试

在洛氏硬度上测定中频淬火+高温回火后的心部硬度和高频表面淬火后的表面硬度。表层磨去0.1mm深度后，再测定表面硬度。

（2）残余应力

在2903型X射线应力测定仪上测定杆的残余应力σ_r,用电抛光去层法，测定σ_r沿表层深度δ的分布，采用Cr-Ka辐射，用0~45°法测定并计算残余应力。

（3）静强度试验

在1000kn万neng材料试验机上进行静强度试验。

（4）疲劳试验

       在PLG-300kN高频试验机上按石油天然气总公司规定进行拉一拉疲劳试验，应力比取R=0.1。D级杆zui大加载应力为σ_max=406MPA。 工艺型E级杆zui大加载应力为σ_max=504MPA。疲劳试样的几何形状示于图1。

4 试验结果与分析

      经过中频淬火+高频回火调质以及表面高频淬火+余热低温回火处理后的心部与表面硬度测定结果列入表1。

表1 直径22mm杆的硬度测定结果

注：（1）8m长杆的前段1m范围；（2）8m长杆的后段1m范围。

       修复前的旧杆抗拉强度σb=803MP。由铬钼合金钢的洛氏硬度和抗拉强度表中可查出：处理后心部的抗拉强度可达到σb=810MPa,而表面淬硬层的抗拉强度可达到σb=1 490MP。尽享检验表明，在表面淬层约1.5mm的深度范围内，其显微组织位错板条马氏体（图2）。根据杆心部截面和外圈淬硬层截面两种不同抗拉强度，可估算出整体杆的抗拉强度σb=982MPa。而杆的抗拉强度实测值为σb=1 080MPa，达到了工艺型超高强度的杆的平（σb=980-1176MPa）。

试验测定了不同处理状态的残余应力沿σr沿表层深度的分布（σ_r-δ）,其结果如图3所示。

1-高频淬火；2-中频淬火+高温回火+高频抽油杆的淬火；3-中频淬火+高温回火+喷丸；4-中频淬火+高温回火+高频淬火+喷丸

用以下4个特征参量描述σ_r-δ曲线，图3上四条σ_r-δ曲线的特征参量列于表2。

表2 标征σ_r-δ曲线的特征参量

表中，σ_rs-表面残余应力；

σ_r,max-次表面zui大残余应力；

δo残余压应力的深度。

分析各种处理状态下在杆内产生的残余应力（见表2）可知：1）仅对杆淬火+高温回火+喷丸处理（3号）不能获得更高的σ_rs和σ_r,max，在残余应力场强度和深度方面也比不上单纯高频淬火（1号）；

2）比较调质+高频淬火处理（2号）与只经高频淬火处理（1号）的结果，因前者比后者有更高的抗拉强度，所以前者比后者具有更高的残余应力场强度；

3）对旧抽油杆进行调质+高频淬火+喷丸强化处理（4号），可获得比任何一种处理状态都高的σ_rs和σ_r,max值，而高的σ_rs值（-640MPa）对提高杆的疲劳疲劳强度具有更重要的作用。

采用4号处理状态杆，首先按D级杆的试验条件作疲劳试验，其结果列入表3。5根疲劳试样均超过试验规范规定的断裂寿命（≥10⁶次）。

表3 4号状态抽油杆的疲劳寿命

用E级超高强度杆规范（σ_r,max=540MPa,R=0.1），对4号状态杆作疲劳试验，其断裂寿命达1.1x10⁶次。说明所采用的表面复合强化修复新工艺可使被修复的原D级杆的抗拉强度和疲劳强度均达到E级杆的水平。

5现场使用情况

为了考核用表面复合强化新工艺修复的力学性与可靠性，笔者在胜利油田专门定向跟踪了6口试验井（孤1井、孤21排211井、孤11排61井、孤33排耿4-63井、垦东52排41井、孤18排16井）中抽油杆的使用情况，其中孤1井，φ22mm杆下泵深度880m,于1998年7月8日使用。截止发稿日，两口井抽油杆已经运行3.8x10⁶次，超过标准规定的10⁶次的循环次数。其他油井也在运行，通过调查，以上6口试验井内的抽油杆未发现异常。

6结论

通过对20CrMo调质钢旧抽烟杆修复工艺及修复杆的静强度和疲劳强度的试验研究，可得出如下结论：

1）采用中频淬火+高温回火+表面高频淬火的热处理修复工艺，可使被修复的D级杆达到E级高强度杆的抗拉强度（σb=1080MPa）;

2）采用二次表面强化（薄壳淬火和喷丸强化）处理修复工艺，杆的表层能获得比其他修复工艺更高的残余压应力场强度。可使被修复的疲劳强度达到工艺型超高强度杆的水平。