玻璃钢抽油杆断裂原因分析

宋成立,宋文文,李 岩,李 娜,梁明华,张华佳

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077；2.中国石油塔里木油田公司,库尔勒 841000)

某油田Y井完钻深度为3 450 m，直井最大井斜2.2°，共计114根玻璃钢抽油杆(总长约1 200 m)、225根钢抽油杆(总长约1 800 m)，井温96 ℃，含水率86%。该井发生抽油机故障停抽于上死点，组织检抽作业时发现，起甩原井抽油杆柱至第113根φ25 mm玻璃钢杆断裂，起出部分长9.82 m，断裂位置约在井深1 166 m处，全杆纵向裂开呈劈散状，如图1所示。起管柱至露出断裂抽油杆后，上提抽油杆悬质量8 t增加至13 t后载荷又下降至8 t稳定，后起甩玻璃钢杆残体及其他管柱，带出φ38 mm柱塞完好，断裂抽油杆上下杆柱无明显偏磨，但抽油杆扶正器有明显磨损，抽油杆接箍有明显偏磨、磨亮现象，如图2所示。

图1 断裂玻璃钢抽油杆杆体宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured fiberglass sucker rod

玻璃钢抽油杆是由玻璃钢杆体和两端带螺纹的钢接头经高黏度环氧树脂黏合剂黏接而成，杆体是由树脂和玻璃纤维按一定比例通过拉挤工艺制作而成的[1]，具有质量轻、弹性大、耐蚀性好等优点，在油田得到了越来越多的应用[2]，其常规性能参数要求如表1所示[3]。作者对该失效玻璃钢抽油杆进行了一系列检验与分析，以明确该玻璃钢抽油杆断裂的主要原因并提出了防止此类事故再次发生的措施。

图2 接箍偏磨宏观形貌Fig.2 Macro morphology of eccentric wear of coupling

1 理化检验

1.1 尺寸测量

利用游标卡尺(精度0.01 mm)对失效玻璃钢抽油杆两端完好杆体的直径进行测量，两段玻璃钢杆累计长度1 300 mm，每隔130 mm选取一个截面，每个截面测量3次(相互间隔120°测量)，测量位置示意图如图3所示，测量结果见表2。

图3 玻璃钢抽油杆直径测量示意图Fig.3 Diagram for diameter measurement of the fiberglass sucker rod

表1 玻璃钢抽油杆性能参数要求Tab.1 Performance parameter requirements of the fiberglass sucker rod

表2 玻璃钢抽油杆直径测量结果Tab.2 Diameter measurement results of the fiberglass sucker rod mm

1.2 玻璃化转变温度检测

依据SY/T 6267—2018《高压玻璃纤维管线管》，在玻璃钢杆上取3个平行试样，采用AQ200型示差扫描量热仪检测玻璃化转变温度，结果见表3。

表3 玻璃化转变温度检测结果Tab.3 Test results of glass transition temperature

1.3 树脂含量检测

依据GB/T 2577—2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》，在玻璃钢杆上取3个平行试样，采用LE4/11/R6型马弗炉进行烧蚀试验，并根据下式计算树脂含量

(1)

式中：wr为树脂质量分数，%；m2为坩埚+试样质量，g；m3为灼烧后坩埚+试样质量，g；m1为坩埚质量，g。

表4 树脂含量检测结果Tab.4 Test results of resin content

1.4 力学性能试验

1.4.1 拉伸性能

依据GB/T 13096—2008《拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法》，在同批次完好玻璃钢抽油杆体上取3个试样，试样长度为700 mm，采用SHT4106型万能试验机对玻璃钢抽油杆体进行拉伸试验。试验过程中对拉伸试验夹具进行了改造，主要将铝合金夹具更换为碳钢夹具(铝合金夹具硬度低，在试验中极易发生变形)。随着试验中加载力的增大，杆体断续发出响声，在断裂瞬间响声最大且伴有树脂碎片飞溅，试验后杆体外表面均仅有少量纤维与杆体分离，但从中部锯开后发现纤维均已发生纵向开裂，如图4所示。试验结果如表5所示，玻璃钢抽油杆体的抗拉强度为588 MPa。

将试验后的玻璃钢抽油杆体再次拉伸，杆体发生了明显的断裂，呈纵向劈散形貌，如图5所示，与失效的玻璃钢抽油杆断裂形貌类似。

图4 玻璃钢抽油杆拉伸试样断裂前后宏观形貌Fig.4 Macro morphology before and after fracture oftensile sample of the fiberglass sucker rod:a) before the test; b) after the test; c) middle section

图5 玻璃钢抽油杆劈散宏观形貌Fig.5 Macro morphology of split and scatter of the fiberglass sucker rod

1.4.2 压缩性能

依据GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》，在同批次完好玻璃钢抽油杆体上取3个试样，试样高度为25 mm，采用UH-F500KNI型万能试验机对其进行压缩试验。试验中随着加载力的增大，试样断续发出响声，在断裂瞬间响声最大且伴有树脂碎片飞溅，最终试样发生纵向开裂，如图6所示，试验结果见表6，其中平均压缩强度为559 MPa。

表5 玻璃钢抽油杆拉伸试验结果Tab.5 Tensile test results of the fiberglass sucker rod

图6 压缩试验后试样宏观形貌Fig.6 Macro morphology of samples after compression test

表6 玻璃钢抽油杆压缩试验结果Tab.6 Compression test results of the fiberglass sucker rod

1.4.3 硬度测试

依据GB/T 3854—2005《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》，在玻璃钢抽油杆体上取一个全截面试样，试样长度为50 mm，采用GY2J-934-1型巴氏硬度计，对试样的横截面和外表面分别进行硬度测试，其中压点到试样边缘以及压点与压点之间的距离均不小于3 mm。试验结果如表7所示，可见横截面和外表面的硬度分别为75 HBa和80 HBa。

2 分析与讨论

由上述理化检验结果可知，该玻璃钢抽油杆的直径、树脂含量、弹性模量、硬度均满足其性能要求，玻璃化转变温度远高于工作温度，不存在软化变形的风险，但抗拉强度低于其性能要求，表明其力学性能出现异常。

表7 玻璃钢抽油杆硬度测试结果Tab.7 Hardness test results of the fiberglass sucker rod HBa

具体断裂原因分析如下：首先，该玻璃钢抽油杆的受力状态是不断变化的，上行时，玻璃钢抽油杆一般处于受拉状态，而下行时，由于液流通过抽油泵的游动阀，对抽油泵柱塞产生向上的流动阻力，同时还有向上的摩擦阻力，即上部受拉，下部受压，处于受压位置的某根玻璃钢抽油杆可能产生过大的纵向弯曲[5-6]，因此，玻璃钢抽油杆承受着反复的拉伸和压缩载荷。拉伸试验结果也显示，该玻璃钢抽油杆在拉伸试验后，纤维发生局部断裂且纵向分离，再次拉伸后引起更多纤维断裂且分离，呈劈散形貌，压缩试验也显示其断裂形貌呈劈散状，均与其实际失效形貌一致。加之其本身抗拉强度低于要求值，极易在作业中发生断裂失效。

其次，该井含水量较大，增大了玻璃钢抽油杆的浮力使其屈曲的临界压力降低，进而容易弯曲而发生偏磨[7]，以及该井存在2.2°倾斜，玻璃钢抽油杆与油管接触而发生偏磨是不可避免的[8]，而实际也发现该玻璃钢抽油杆接箍发生偏磨，由此会增加玻璃钢抽油杆的受力而加速其发生断裂失效。

因此，根据试验结果和现场实际工况情况可以推断，由于该玻璃钢抽油杆抗拉强度低于要求值，并承受着反复拉压作用，因此玻璃纤维逐步断裂成劈散形貌。接箍与井壁的偏磨使玻璃钢抽油杆体受力变大，加速了杆体的断裂。

3 结论及建议

该玻璃钢抽油杆抗拉强度低于要求值，材料不合格，在作业过程中承受反复拉压作用后，玻璃纤维逐步断裂成劈散形貌，接箍与井壁的偏磨加速了杆体的断裂。

建议对玻璃钢抽油杆在到货抽检时进行拉伸试验，确保其满足性能要求或根据实测玻璃钢抽油杆承载能力来设定作业载荷。建议采用尼龙扶正、管杆旋转、调整生产参数等方法防止玻璃钢杆体与井壁偏磨的发生。