摘 要:西部某油田井下電泵使用不到一年即發(fā)生接頭焊縫斷裂失效,采用一系列理化性能檢 測分析方法,并結(jié)合現(xiàn)場實際工況,對電泵接頭焊縫斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:防倒塊與泵 體焊縫顯微 組 織 為 奧 氏 體 ＋δＧ鐵 素 體,焊 接 熱 影 響 區(qū) 顯 微 組 織 為 馬 氏 體,其 顯 微 硬 度 高 達 ５００HV０．５左右;異常組織使焊縫脆化,從而導(dǎo)致電泵于接頭焊縫處發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂.最后 提出了優(yōu)化焊接工藝的建議. 

關(guān)鍵詞:電泵;防倒塊;焊縫;脆性斷裂;異常組織;焊接工藝 

中圖分類號:TE９３３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９１５Ｇ０４

潛油電泵采油具有排量大、功率高、地面設(shè)備與 井下傳遞能量方式簡單等優(yōu)點,目前已成為國內(nèi)外 人工舉升采油的第二大設(shè)備[１].在生產(chǎn)過程中,潛 油電泵機組的任何一個部件發(fā)生故障都將導(dǎo)致油井 停機修理,從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟損失[２].西部油田 某井以產(chǎn)油為主,產(chǎn)出氣中不含 CO２ 及 H２S.該井 電泵于２０１５年１２月２７日正式投產(chǎn),２０１６年８月 ５日因過載停機.作業(yè)區(qū)進行泵檢,發(fā)現(xiàn)泵體接頭 與防倒塊焊縫撕裂并脫扣導(dǎo)致下節(jié)泵機組落井.泵 體接頭材料為 ２Cr１３ 不銹鋼,防倒塊材料為 ３１６L 不銹鋼,殼體材料為４５碳鋼,防倒塊焊料為 A３０２ 不銹鋼.為查明該電泵接頭焊縫斷裂原因,筆者對 其進行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

將失效樣品分別標記為１號(泵體接頭)、２號 (殼體)共兩個試樣,泵體接頭與殼體通過螺紋連接, 為防止倒扣,采用防倒塊將接頭與殼體進行焊接.發(fā) 生失效后,防倒塊與接頭在焊縫部位撕裂,在泵體接 頭上形成焊縫斷口,斷口表面宏觀形貌呈脆性斷裂特 征,無明顯腐蝕產(chǎn)物覆蓋,其宏觀形貌如圖１所示.

１．２ 化學(xué)成分分析 

依 據(jù) ASTM A７５１－１４a Standard Test Methods Practices, and Terminology for ChemicalAnalysisof SteelProducts,采 用 ARL ４４６０直讀光譜儀分別對泵體接頭、防倒塊以及殼體 進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１~３.由檢測結(jié)果可 知,防倒塊化學(xué)成分符合 GB/T２０８７８－２００７«不銹鋼 和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分»對３１６L不銹鋼成分的技 術(shù)要求;泵體接頭化學(xué)成分符合 GB/T２０８７８－２００７ 對２Cr１３不銹鋼成分的技術(shù)要求;殼體化學(xué)成分基本 符合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»對４５碳鋼 成分的技術(shù)要求,僅硅元素含量略低于標準要求的 最小值. 

１．３ 金相分析及顯微硬度試驗 

采用線切割方法,分別在泵體接頭、防倒塊與殼 體焊接部位取樣制成金相試樣.依據(jù) GB/T１３２９８－ ２０１５«金屬顯微組織檢驗方法»、GB/T１０５６１－２００５ «鋼中非金屬夾雜物含量的評定———標準評級圖顯微 檢驗法»、GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度試 驗 第１部分:試驗方法»,使用 MeF３A 金相顯微鏡和 Tukon２１００B顯微硬度計分別進行金相分析和顯微 硬度試驗,結(jié)果見表４,非金屬夾雜物、顯微組織及裂 紋形貌如圖２~５所示.金相分析及顯微硬度試驗結(jié) 果表明:該泵體接頭顯微組織為回火馬氏體,非金屬 夾雜物含量為 A２．０e,B０．５,C０,D０．５,如圖２所示,其 顯微硬度在３００HV０．５左右;防倒塊顯微組織為奧氏 體,非金屬夾雜物含量為 A２．０,B１．５,C０,D０．５,如圖３ 所示;防倒塊與殼體焊接部位焊縫顯微組織為奧氏 體＋δＧ鐵素體,殼體熱影響區(qū)顯微組織為馬氏體,其顯微硬度高達５００HV０．５左右;殼體顯微組織為珠 光體＋網(wǎng)狀鐵素體,如圖４所示;焊縫內(nèi)有裂紋,裂 紋周圍有組織變形,如圖５所示.

１．４ 斷口微觀形貌分析 

從泵體接頭焊縫處取斷口試樣,經(jīng)醋酸纖維紙 和丙酮試劑清洗后,采用 TESCAN VEGA３XMU 掃 描 電 子 顯 微 鏡(SEM)及 其 附 帶 的 能 譜 分 析 儀(EDS)對斷口試樣分別進行微觀形貌觀察和能譜分 析.焊縫斷口形貌如圖６所示,可見斷口周圍無明 顯塑性變形特征,且具有穿晶解理特征,斷口上未見 有二次裂紋分布,亦未見有大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋.

圖７為焊縫斷口能譜分析結(jié)果,可見其主要含 有鐵、鉻、氧元素,此外還存在少量硅、鉀、鈣元素.

２ 綜合分析 

該潛油電泵斷裂位置位于下泵上接頭與下泵殼 體防倒塊焊接位置.潛油電泵位于管柱結(jié)構(gòu)底部, 承受較小拉伸載荷,其斷裂位置未見塑性變形特征, 排除過載斷裂的可能性.泵體接頭材料為２Cr１３不 銹鋼,防倒塊材料為３１６L 不銹鋼,焊材為 A３０２不 銹鋼,斷口呈脆性斷裂特征,斷口表面均未見腐蝕特 征;能譜分析結(jié)果也表明其主要元素為鐵和鉻,未見有腐蝕產(chǎn)物元素分布,因此也可排除腐蝕失效的可 能性.

化學(xué)成分分析結(jié)果表明:泵體接頭化學(xué)成分符 合 GB/T２０８７８－２００７ 對 ２Cr１３ 不 銹 鋼 成 分 的 要 求;殼體 化 學(xué) 成 分 基 本 符 合 GB/T６９９－１９９９ 對 ４５碳鋼成分的要求,僅硅元素含量略低于標準要求 的下限值.

焊縫斷口金相分析結(jié)果表明:防倒塊顯微組織 為奧氏體,其非金屬夾雜物含量為 A２．０,B１．５,C０, D０．５;防倒塊與泵體焊接部位熱影響區(qū)顯微組織為 馬氏體,其顯微硬度高達５００ HV０．５左右,表明該 泵焊接過程中形成了高硬度的馬氏體組織;焊縫內(nèi) 有裂紋,裂紋周圍有組織變形,裂紋源區(qū)組織與焊縫 組織一致,說明其斷裂位置位于焊縫;焊縫顯微組織 為奧氏體＋δＧ鐵素體,δＧ鐵素體為高溫鐵素體組織, 屬脆性相,會使不銹鋼焊縫發(fā)生脆化或增加應(yīng)力腐 蝕開裂敏感性導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷[３].據(jù)相關(guān)文獻報 道,兩種異金屬焊接時焊縫稀釋作用使焊縫中的奧 氏體耐蝕元素含量減少,出現(xiàn)脆硬馬氏體組織,形成 淬火區(qū),因而焊縫容易產(chǎn)生裂紋[４];另外,由于熔池 邊緣液態(tài)金屬溫度較低,流動性較差,且液態(tài)金屬停 留時間較短,導(dǎo)致熔化的母材金屬不能與填充材料 充分混合,從而使未完全混合區(qū)的母材金屬所占比 例較大,在碳素鋼母材金屬一側(cè)熔合區(qū)的焊縫金屬 中形成一層與焊縫金屬成分不同的過渡層,過渡層 中的高硬度馬氏體組織會使材料脆性增加,塑性顯 著降低,因而焊接接頭塑性和韌性降低.綜上所述, 該失效電泵防倒塊與泵體的焊接工藝存在一定問 題,其焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)存在δＧ鐵素體以及馬氏體 組織導(dǎo)致焊縫脆化,裂紋起裂于焊縫處,并在低于工 作載荷的受力條件下擴展,最終造成電泵脆性斷裂 失效.

３ 結(jié)論及建議

(１)該電泵斷裂屬于脆性斷裂,起裂于下泵上 接頭與下泵殼體防倒塊焊縫處.焊縫內(nèi)存在 δＧ鐵 素體以及馬氏體異常組織造成焊縫脆化,是導(dǎo)致該 電泵斷裂失效的主要原因. 

(２)建議優(yōu)化焊接工藝,避免異常組織的出現(xiàn).

參考文獻: 

[１] 馮定,李成見．潛油電泵特征參數(shù)及實際工況的計算 方法研究[J]．流體機械,２００７,３５(１):２９Ｇ３１,７８．

[２] 張玉斌,于海春．潛油電泵機組可靠性研究[J]．石油 學(xué)報,２００３,２４(４):１０３Ｇ１０７． 

[３] HANL Q,LIN G B,WANG Z D,etal．Studyon corrosionresistanceof３１６L stainlesssteel welded joint[J]．Rare Metal Materials and Engineering, ２０１０,３９(３):３９３Ｇ３９６． 

[４] 羅昌森,羅宏,趙景浩,等．３１６L不銹鋼焊接頭回火組 織與性能[J]．材料熱處理學(xué)報,２０１３,３４(９):１１６Ｇ１２１．

文章來源——材料與測試網(wǎng)