抽油杆

抽油杆

抽油杆是抽油机井的细长杆件，它上接总杆，下接抽油泵起传递动力的作用。抽油杆单根长度为六米，材质一般是高碳钢表面镀硬铬,在油管内用内螺纹箍一根根连接起来一直延伸到地下油层处的活塞上,通过往复运动来泵油.

目前的油井长度一般在两千米左右,以胜利油田为例,最深的以达三千余米。

抽油杆的发展

抽油杆是有杆抽油设备的重要部件，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。抽油杆柱是由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成。

在采油过程中，抽油杆柱承受不对称循环载荷的作用，工作介质为井液（原油和矿层水），而许多抽油井的井液含有腐蚀介质。因此，抽油杆的主要失效形式为疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。抽油杆的断脱事故会严重影响原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。

抽油杆有近百年的历史。最原始的抽盐卤杆是用藤条做的。第一个金属抽油杆专利（U.S.528168）是美国于亥俄州的Samuel M.Jones于1894年10月30日获得的。近20年来，国内外在抽油杆的制造方面采用了许多新材料、新设备、新技术和新工艺，如采用多元素合金钢、玻璃钢；采用中频感应透热设备加热及自动化平锻机进行锻造，采用中频感应加热淬火装置及红外光导智能测温仪器，抽油杆头部不旋转加工生产线，接箍自动生产线；以及先进的锻模设计技术，抽油杆外螺纹滚压工艺，接箍内螺纹半切削半挤压工艺，摩擦焊接工艺，喷丸强化工艺，表面感应淬火工艺等，大大提高了抽油杆的制造水平和产品质量。

为了满足大泵强采、小泵深抽、稠油井、高含腊井、腐蚀井和斜井采油的需要，国内外开发了许多特种抽油杆，如超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆、KD级抽油杆、连续抽油杆、电热抽油杆、钢丝绳抽油杆和铝合金抽油杆等，并研究了许多抽油杆柱的配套件，如长冲程高强度光杆、无牙光杆卡子、旋杆器、减震器、石墨可调心光杆密封盒、滚轮接箍、扶正器、刮蜡器、加重杆、防脱器、脱接器、磁防蜡器和泵空控制器等，进一步提高了抽油杆的使用寿命和应用范围。

抽油杆的结构和用途

抽油杆是有杆抽油设备的重要部件。抽油杆通过接箍连接成抽油杆柱，上经光杆连接抽油机，下接抽油泵的柱塞，其作用是将地面抽油机驴头悬点的往复运动传递给井下抽油泵。

抽油杆螺纹失效常常表现为螺纹的拉坏。但由于现代API抽油杆的螺纹的下部凹陷设计以及制造螺纹时采用滚压代替车削，此类问题的出现已大为减少。普通抽油杆及其杆头结构如下图所示。

其杆体是实心圆形断面的钢杆，两端为镦粗的杆头。杆头由外螺纹接头、卸荷槽（应力分散槽）、推承面台肩、扳手方径、凸缘和圆弧过渡区组成。外螺纹接头用来与接箍相连接，扳手方颈用来装卸抽油杆接头时卡抽油杆钳用。

16MnR是普通低合金钢，是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料，40Cr是中碳调质钢，冷镦模具钢，经热处理后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件等。

早在上世纪50年代就已经开始研究铝合金抽油杆在工程的应用，但由于其

弹性模量低、冲程损失大，泵效较低，只适于泵挂不太深的低产井，其开发应用停滞不前。因此，虽然高强度铝合金的耐应力腐蚀机理及特性研究起步较早，但因其应用的局限性而中断了，不能为抽油杆柱设计中材料耐腐蚀选材提供依据。

铝合金抽油杆. 石油矿场机械，1985，14（2）：11

胡永全，吴志均. 铝合金抽油杆柱深抽的初步研究. 西南石油学院学报，1995，17（4）：98-103

孟祥琦. 铝合金材料的应力腐蚀及腐蚀疲劳特性实验研究[D]. 上海：上海交通大学，2012

一般腐蚀的的断面是光滑的，断口呈脆性断裂，而腐蚀疲劳断面由于腐蚀坑而多是有缺陷的，断口多呈贝壳状或有疲劳辉纹。腐蚀疲劳裂纹多是穿晶型裂纹，也有混合型裂纹。与纯金属在应力腐蚀开裂中腐蚀敏感性较低不同，纯金属与合金一样会发生腐蚀疲劳。应力腐蚀开裂是应力与特定腐蚀介质的共同作用，而腐蚀疲劳不需要特定的的腐蚀介质，在任何腐蚀环境中都能发生。

表1.1给出了几种合金材料的疲劳极限与腐蚀疲劳强度。因此，腐蚀疲劳更具有普遍性。

表 1.1 几种合金材料的疲劳极限与腐蚀疲劳强度[6]

Tab 1.1 Fatigue limit and corrosion fatigue strength of several alloys[6]

从损伤演化的角度看，腐蚀疲劳是由疲劳损伤和腐蚀损伤的耦合效应造成的。因此腐蚀疲劳过程中，存在两种基本的损伤形式[1]。一是循环应力引起的微区金属反复滑移，形成滑移带，是造成疲劳损伤的基本原因；二是由腐蚀介质与金属通过电化学反应引起的腐蚀损伤。当这两种损伤共存时，二者的作用不是简单叠加，而是这两种基本损伤之间存在明显的交互作用，即互相促进。在占疲劳寿命绝大部分的前期，损伤及其演化速率均很小，些微的附加损伤就意味着很长的寿命消耗。腐蚀损伤则一般是时间依存型的，其损伤累积需要一定的时间。正因为如此，腐蚀环境对高频疲劳的影响相对较小，而对低周疲劳的影响则较大。另一方面，与恒应力时相比，交变应力也使得腐蚀损伤演化速率增大，因此静载时

可以忽略的腐蚀效应，交变载荷时就会变得比较明显。在实际的腐蚀疲劳过程中，腐蚀损伤与疲劳损伤演化是耦合的，腐蚀加快疲劳损伤演化，交变应力又反过来促进腐蚀损伤的发展，两者共同构成的损伤演化决定了腐蚀疲劳的寿命。腐蚀疲劳的裂纹萌生寿命一般也只占总寿命的五分之一到十分之一，一般通过由试验得到的经验公式来进行评价。将可以检测到最小宏观裂纹时的寿命作为萌生寿命，经验公式为如下形式[1]：

式中m、C是与腐蚀环境有关的常数，∆σc是人为定义的对应于特定循环次数的疲劳强度。

常见的腐蚀疲劳裂纹萌生机理模型主要有四种：①点蚀加速裂纹形成理论：在腐蚀疲劳初期，金属表面固有的电化学性不均匀和疲劳损伤导致滑移带形成所造成的电化学性不均匀，腐蚀的结果在金属表面形成点蚀坑，产生应力集中，导致裂纹过早形成；②形变活化腐蚀理论：循环应力下滑移带的形成使金属电化学性不均匀，滑移带集中的变形区域与未变形区域组成腐蚀电池，变形区为阳极，未变形区为阴极，阳极不断溶解而形成疲劳裂纹；③保护膜破裂理论：对易钝化的金属，腐蚀介质首先在金属表面形成钝化膜，在循环应力作用下，表面钝化膜遭到破坏，而在滑移台阶处形成无膜的微小阳极区，在四周大面积有膜覆盖的阴极区作用下，阳极区快速溶解，直到膜重新修复为止，重复以上滑移–膜破–溶解–成膜的过程，便逐步形成腐蚀疲劳裂纹；④吸附理论：金属与环境界面吸附了活性物质，使金属表面能降低，从而改变了金属的机械性能，氢脆是吸附理论的典型例子。

由于腐蚀疲劳的复杂性，其涉及力学、化学、电化学、金属材料学及冶金学等学科的内容，尚有很多理论问题没有得到很好地解决，尤其是腐蚀疲劳的工程应用方面。在工程实践中，很多构件是在腐蚀性环境中工作的，如海洋结构、飞机结构及石油化工设备等，常因受循环载荷和腐蚀环境的交互作用发生腐蚀疲劳破坏。因此，腐蚀疲劳已成为工程实践中的一个十分重要的问题，腐蚀疲劳的研究也一直为科技工程界所关注。

对腐蚀疲劳的认识可从以下力学-电化学过程和吸附电化学理论两个方面考虑。材料在电解质中的腐蚀疲劳过程是一个力学-电化学过程，即金属在交变应力的作用下，改变了材料微观组织结构的均匀性，破坏了原有的结晶结构，从而产生了电化学不均匀性，应变部位的金属为阳极，未应变的金属为阴极，在电化学和交变应力的联合作用下，产生微裂纹。吸附电化学理论认为，在腐蚀介质的作用下，金属表面发生了介质中表面活性因子的吸附，在微裂纹中产生了楔入作