【正文】 收縮率延伸率20CrMo調(diào)質(zhì)35CrMo空冷+回火35Mn2調(diào)質(zhì)45號鋼調(diào)質(zhì)腐蝕介質(zhì)中裂紋擴展速率的測定采用10x30x160mm板狀試樣，在試樣中部的側(cè)面上，長3mm的狹縫，在Amsler高頻疲勞試驗機上，用三點彎曲的方式預(yù)制裂紋。正弦波加載，頻率為20Hz，應(yīng)力比R=。試驗溫度18土2℃，裂紋長度用移動式工具顯微鏡隔著有機玻璃測量。三點彎曲試樣的應(yīng)力強度因子的表達式為 （21）其中 式中 ——為載荷；——為裂紋長度；——為試樣厚度；——為試樣寬度；——為跨距。表22 中抽油桿用鋼的c、n值材料及熱處理20CrMo調(diào)質(zhì)35CrMo 空冷+回火35Mn2調(diào)質(zhì)cncncn%NaCl水溶液ⅠⅡ（續(xù)表22）空氣ⅠⅡ 裂紋擴展期剩余壽命的計算1. 計算公式由Paris公式，可以求出裂紋由擴展到時的運轉(zhuǎn)周次。對于裂紋由擴展到時的，可取處的近似值。因為桿身部位是現(xiàn)行抽油桿的危險截面，所以只計算了當桿身上存在0. l0mm裂紋時，并以此作為分析D級抽油桿剩余壽命的基礎(chǔ)。的裂紋，直到裂紋深度達到6mm為止。3. 計算結(jié)果，隨著油田的開發(fā)，有的深井和重載荷井的使用應(yīng)力已達196MPa。由于除35Mn2鋼的各區(qū)間的裂紋擴展壽命和總壽命都較高外，其余三種鋼的結(jié)果都差不多，故由圖21，22分別標出了20CrMo和35Mn2兩種鋼的結(jié)果圖21 20CrMo鋼裂紋擴展到不同深度區(qū)間度過的壽命和總壽命圖22 35Mn2鋼裂紋擴展到不同深度區(qū)間度過的壽命和總壽命 結(jié)果分析 1. 裂紋擴展期壽命利用的可能性由圖222看出，除35Mn2調(diào)質(zhì)外，20CrMo鋼在較低使用應(yīng)力（）下總壽命可以達到數(shù)量級，按抽油桿每分鐘提升10次計算，運轉(zhuǎn)周次相當于兩年多的時間。這只相當于兩個多月的使用時間。抽油桿是按無限壽命設(shè)計的，一個下井周期要求工作3～5年，總的運轉(zhuǎn)周次大于，而在使用中經(jīng)常因檢泵等原因?qū)⒊橛蜅U提升到地面，但在檢泵等操作中，從不對在用的舊抽油桿進行探傷，最多也就是將有明顯缺陷（肉眼可見的大尺寸裂紋）的抽油桿換掉。表23 允許裂紋及其擴展壽命（）介 質(zhì)空 氣% NaCl抽油桿用鋼應(yīng)力/MPa 允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(106)允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(106)20CrMo35CrMo35Mn245——抽油桿用鋼應(yīng)力/MPa 允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(106)允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(105)20CrMo35CrMo35Mn245——抽油桿用鋼應(yīng)力/MPa 允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(105)允許裂紋長度/mm擴展壽命/周次(105)20CrMo35CrMo35Mn245——2. 鉻鉬鋼與碳鋼型抽油桿的耐蝕性比較 由圖222知，不管什么鋼種，也不管在什么裂紋長度區(qū)間，抽油桿在空氣中的裂紋擴展期的壽命都高于同條件下腐蝕介質(zhì)（ % NaCl水溶液）中的壽命。而在裂紋擴展后期裂紋長度較長，相應(yīng)的裂尖應(yīng)力強度因子幅也較大，則導(dǎo)致的結(jié)果正好相反。眾所周知，鉻鉬鋼在850MPa時具有一定的氫脆敏感性，這里不研究是否由此原因?qū)е律鲜鼋Y(jié)果，也不探討鉻鉬鋼和碳鋼抵抗裂紋擴展能力的機理。3. 從各裂紋擴展區(qū)間的裂紋擴展期壽命談提高抽油桿使用壽命的途徑 圖222中各裂紋擴展區(qū)間壽命的統(tǒng)計表明，%～90%，占總壽命的70%～95%，這說明裂紋擴展期的壽命主要是在裂紋很短的區(qū)內(nèi)度過的。噴丸強化可以在抽油桿表面下0. 30～，它能有效地防止裂紋的生成和擴展。我們曾對某廠生產(chǎn)的成品D級抽油桿進行噴丸再強化處理，結(jié)果使D級桿桿身的疲勞極限由原來的430MPa提高到560MPa。第3章 載荷對抽油桿壽命的影響 影響抽油桿壽命的因素分析1. 抽油桿下井使用時間長，達到或超過了其最大使用極限（抽油桿循環(huán)次數(shù)），造成抽油桿本體因疲勞斷，按照這一使用極限，沖次分別為的抽油桿使用年限見表31（每口抽油井年運行天數(shù)按350天計算）。根據(jù)油水換相原理，%時，產(chǎn)出液由油包水型變?yōu)樗托?，管桿表面由油潤濕為水潤濕，失去了原油的保護作用，加快了管桿之間腐蝕的速度。偏磨均發(fā)生在600m～800m以下，由于地層蠕變，加之多年的強注強采造成套管變形，使井段出現(xiàn)彎曲，由于套變和井斜，使井下油管產(chǎn)生彎曲。另外，由于桿柱下部受活塞下行阻力和其它摩擦力的影響，往往會造成桿柱在油管內(nèi)的彎曲，當彎曲應(yīng)力達到一定的程度會造成桿體斷折，由于桿柱的彎曲還會在某一部位產(chǎn)生卸扣方向的扭矩，最終造成在該部位脫扣。每年抽油桿斷發(fā)生部位70%發(fā)生在抽油桿下部的22mm和19mm抽油桿柱。6. 井況的影響。一是易造成卡泵，當強行開抽時造成桿被強行拉斷；二是造成因增加抽油桿負荷引起桿斷等問題造成躺井增加。 載荷對抽油桿的影響及懸點載荷的計算載荷對抽油桿的影響主要表現(xiàn)在沖次偏大時由液柱引起的慣性負荷較大，增加了懸點最大載荷。油管承受交變的液柱載荷發(fā)生彎曲。抽油機在工作時懸點所承受的載荷，是進行抽油設(shè)備選擇及工作狀況分析的重要依據(jù)。 一 懸點承受的載荷抽油機在正常工作時，懸點所承受的載荷根據(jù)其性質(zhì)可分為靜載荷、動載荷以及其它載荷。1. 抽油桿柱的重力產(chǎn)生的懸點靜載荷抽油桿柱所受的重力在上、下沖程中始終作用在懸點上，其方向向下，故增加懸點載荷。 下沖程中抽油桿柱受液體的浮力，作用在懸點的載荷為  （32）式中 ——抽油桿柱在液體中的重力，； ——抽汲液的密度。 在下沖程中，液柱的重力作用于油管上，因而對懸點載荷沒有影響。初變形期之后，抽油桿才帶動活塞隨懸點一起運動。這種振動還將產(chǎn)生振動沖擊力，這個力作用于懸點上便形成振動載荷。 據(jù)資料和實踐表明，液柱載荷一般都不會在活塞上（即抽油桿下端）產(chǎn)生明顯的振動載荷，因此，在下面的討論中忽略了液柱的振動載荷。 假定懸點載荷在初變形期的變化接近于靜變形，沿桿柱的速度按直線規(guī)律分布，則微分方程的初始條件和邊界條件分別為 初始條件 ； （35） 邊界條件 ； （36）式中 ——初變形期末抽油桿柱下端（活塞）相對于懸點的運動速度。抽油桿柱的自由縱振動在懸點處產(chǎn)生的振動載荷為 （38）式中 ——抽油桿材料的彈性模量。初變形期末激發(fā)的抽油桿柱的自由縱振動，在懸點處產(chǎn)生振動載荷的振幅，即最大振動載荷為 （39）最大振動載荷發(fā)生在，…處。如果忽略抽油桿柱和液柱的彈性影響，則可以認為抽油桿柱和液柱各點和懸點的運動規(guī)律完全一致。 由前面分析知道，懸點在接近上、下死點時加速度最大，因此，慣性載荷也在接近上、下死點時達到最大值。 如果采用曲柄滑塊機構(gòu)模型來計算加速度，抽油桿柱和液柱在上、下沖程中產(chǎn)生的最大慣性載荷值分別為 （311） （312） （313）式中 ，——抽油桿柱和液柱在上沖程中產(chǎn)生的最大慣性載荷，； ——抽油桿柱在下沖程中產(chǎn)生的最大慣性載荷，； ——油管過流斷面擴大引起液柱加速度降低的系數(shù)，可由下式計算式中 ——油管的過流斷面面積。下面討論考慮抽油桿柱的彈性時，抽油桿柱產(chǎn)生的慣性載荷。慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質(zhì)量、懸點加速度及其在桿柱上的分布。這時，懸點運動的加速度為 （314）式中 ——懸點加速度； ——從懸點下死點算起的上沖程時間。當時，抽油桿柱的慣性力隨而減??；當時，抽油桿柱的慣性力等于零；當時，慣性力將改變方向，并且隨而增大。因此，井溫分布對抽油井系統(tǒng)選擇設(shè)計是十分重要的。℃）；——內(nèi)熱源，W/m；W——水當量，W/ ℃——井底原油溫度，℃；m——地層溫度梯度，℃/m。水當量W可如下計算： （320）式中 Mo——原油質(zhì)量流量，kg/s；　 Co——原油比熱，W/（g℃）；　 g——重力加速度，m/s。 抽油機在工作時，作用在懸點上的摩擦載荷由以下五部分組成。 （2） 柱塞與襯套之間的摩擦力 該摩擦力在上、下沖程中都存在，一般泵徑不超過70 mm時，其值小于1717N。阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，其最大值可近似確定為 （321）式中 ——抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，； ——井內(nèi)液體的動力粘度，； ——油管內(nèi)徑與抽油桿直徑之比，； ——油管內(nèi)徑，； ——抽油桿直徑，； ——抽油桿柱最大下行速度。因此，在抽汲高粘度液體時，往往采用低沖次、長沖程工作方式。資料表明。液流通過游動閥時產(chǎn)生的壓頭損失為  （323）式中 ——液體通過游動閥的壓頭損失，； ——液體通過閥時的流速，； ——重力加速度，； ——活塞運動速度，； ——活塞截面積，； ——閥孔截面積，；——閥流量系數(shù)，對于常用的標準型閥，其中 式中 ——閥孔徑，；——液體的運動粘度。沉沒壓力的影響只發(fā)生在上沖程，它將減小懸點載荷。因二者可以部分抵消，一般計算中?？?