表面感应加热淬火抽油杆述评

<正> 为了提高抽油杆的疲劳强度,近年来广泛采用表面强化处理方法,其中应用较早且效果明显的是表面感应加热淬火方法。表面感应加热淬火,不仅可以改变抽油杆表面的组织和性能,同时还可以在抽油杆表面产生较大的残余压应力,进而提高抽油杆的静强度、疲劳强度     

感应淬火提高35CrMo钢抽油杆疲劳强度的研究

探讨了对３５ＣｒＭｏ钢制Ｄ级抽油杆和热轧态坯料进行表层感应淬火处理，以提高抽油杆疲劳强度的可能性。实验表明：以热轧态坯料经感应淬火生产超高强度抽油杆的工艺路线是很有希望的，比Ｄ级抽油杆疲劳极限提高３６％。文中还对正火高温回火态Ｄ级抽油杆再经感应淬火后疲劳极限提高幅度相对较小的原因作了分析。     

用表面感应加热淬火和喷丸提高抽油杆疲劳强度的研究

对生产Ｄ级抽油杆用３５ＣｒＭｏ钢经表面感应加热淬火和喷丸，可提高抽油杆的疲劳强度。试验结果表明，用国产３５ＣｒＭｏ钢，经适当的表面感应加热淬火和喷丸，可以生产出疲劳极限达到或超过美国ＥＬ级的超高强度抽油杆。为进一步提高超高强度抽油杆的疲劳极限，除保证有合理的表面感应加热淬火和喷丸工艺外，必须保证试样心部材料有足够的强度。     

一种新型抽油杆加热电源的研制

开采含胶质沥青、含蜡和凝固点高的“三高”稠油，常采用蒸气吞吐、化学降粘和热水射流伴送以及钢质空心抽油杆工频感应加热技术等方法，这些方法存在投资高、不便管理等缺点。而我们新研制的逆变式感应加热电源，采用ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管）作为功率开关器件，提高了输出电压的频率。与工频加热电源相比，新型抽油杆加热电源具有体积小、轻便、效率高、价格较低等特点。试验表明，新型抽油杆加热电源工作时效率高、可靠性高。     

感应加热弯管整体淬火工艺对冲击性能的影响

针对高钢级感应加热弯管,对其整体淬火工艺之后的性能进行了研究,并与局部淬火后的焊缝冲击韧性进行了详细对比,指出了整体淬火工艺的优越性,进一步明确了回火工艺的最佳工艺区间,并对X80钢级感应加热弯管的生产提出了建议。试验结果表明,与局部回火工艺相比,淬火+回火工艺可以有效提高直管段焊缝的冲击韧性,减小直管段与弯曲段的性能差异,对于X80钢级弯管的淬火+回火工艺来说,最佳工艺区间为550～600℃。     

空心抽油杆调质感应加热功率计算

针对国内中、低温光电测温仪不能准确反映空心抽油杆杆体在感应加热过程中的实际温度，造成加热温度不准确而影响质量的问题，利用能量守恒原理，对感应加热过程中杆体所需功率和感应器功率，以及感应器电效率和热效率进行了计算，并给出不同生产效率下，感应器功率与杆体温升的关系曲线，以便于生产厂准确设计和使用感应加热设备。     

抽油杆表面缺陷及裂纹分析

根据抽油杆锻造表面缺陷检测和实物疲劳试验，分析了抽油杆各部位的表面缺陷形态及表面裂纹形态。为抽油杆锻造质量评定和疲劳寿命预测提供了裂纹模型。指出抽油杆表面缺陷主要是锻造皱褶所引起的微小裂纹，尽快改进锻造成型工艺，减少这种微小裂纹，是抽油杆生产厂应予重视和解决的问题。     

H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法

为了有效使用H级抽油杆,对其许用应力计算方法和疲劳寿命预测方法进行了研究。在对H级抽油杆进行室内拉伸试验的基础上,计算了其抗拉强度与屈服强度的比值,根据该比值将H级抽油杆API最大许用应力计算系数由0.562 5修改为0.716 3;拟合建立了H级抽油杆的应力-疲劳曲线,折算了H级抽油杆在应力比为0.1条件下的极限疲劳应力;通过H级抽油杆在不同介质中和不同冲次下的疲劳测试,获得了含水率和冲次与抽油杆寿命的关系。研究的H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法,在长庆油田杏南作业区10口井进行了应用,结果表明,利用该方法对H级抽油杆进行优化设计可以改善其受力条件,充分发挥H级抽油杆的性能,使其满足现场生产对杆柱应力、寿命的需求。      

抽油杆表面椭圆裂纹应力强度因子有限元分析

运用三维有限元法求解抽油杆杆体及接头不同部位表面椭圆裂纹在拉伸载荷下的应力强度因子。采用Ｉｎｇｒａｆｆｅａ方程由裂端２０节点奇异单元位移场可精确、连续地给出应力强度因子沿裂纹线的变化，实验验证表明，运用三维有限元分析所得到的应力强度因子有较高的工程精度。应用此结果，可对抽油杆不同部位的裂纹问题作断裂与疲劳分析。     

添加剂对摩擦表面残余应力的影响

用不同添加剂和在不同试验条件下，对摩擦表面残余应力的影响进行了考察，结果表明，所有磨斑表面均为残余压应力。添加剂对残余应力有明显的影响，试验条件（时间和负荷）变化的初期，残余应力的变化最大，然后呈周期性变化。     

D级抽油杆喷丸强化最佳工艺研究

针对我国各抽油杆生产厂在Ｄ级抽油杆喷丸工艺中多注重除锈效果，而较少关注喷丸强化对提高疲劳极限作用的现状，研究了Ｄ级抽油杆喷丸强化的最佳工艺。结果表明，在其他喷丸参数相近时，表下残余压应力的深度主要取决于丸粒大小；在丸粒尺寸相同时，表下最大残余压应力的最大值取决于Ａｌｍｅｎ试片的弧高度。新的喷丸强化工艺可使现有Ｄ级抽油杆杆身的疲劳极限由４３５ＭＰａ提高到５３５－５６５ＭＰａ，大大超过美国Ｄ级抽油杆的疲劳极限４５０ＭＰａ。     

D级抽油杆表面允许裂纹深度的估算

介绍了国内外七种Ｄ级抽油杆用钢的疲劳门坎值的测定。结合对抽油杆各特征部位半椭圆裂纹应力强度因子Ｋ的有限元计算，用断裂力学方法估算了各特征部位允许存在的裂纹尺寸。结果表明，允许裂纹深度α与使用应力σ之间存在有α＝Ａ／σ的关系。当抽油杆的抗拉强度符合ＡＰＩ规范１１Ｂ规定的σｂ＝７９３～９６５ＭＰａ时，七种材料的门坎值基本相同。当使用应力在疲劳极限附近处为３７２．６ＭＰａ时，抽油杆杆体表面存在有深度为０．１３～０．２７ｍｍ的裂纹，杆头锻方处存在有深度为０．６０～１．０２ｍｍ的裂纹，这些裂纹均不会扩展。     

D级抽油杆疲劳裂纹扩展期剩余寿命预测

测定了四种常用Ｄ级抽油杆用钢在空气和３．５％ＮａＣｌ水溶液腐蚀条件下的裂纹扩展速率，计算了当抽油杆存在不同尺寸可扩展裂纹时的剩余寿命。结果表明，当杆体上存在深０．１ｍｍ可扩展裂纹，使用应力为１１７．６～３７２．６ＭＰａ时，尚可工作两个月到两年。裂纹扩展期的扩展规律表明，任何一种能引入表面残余压应力的表面强化方法，都可以提高抽油杆的使用寿命。     

D级空心抽油杆疲劳性能试验研究

为考查Ｄ级空心抽油杆不同摩擦焊接工艺性能的可靠性, 采用电测试验应力法测试抽油杆焊接接头的应力集中系数β。在静拉伸条件下进行应变测试, 测得抽油杆焊接接头平均应力集中系数为１－０９１５ , 各应力集中系数分散性较小, 说明摩擦焊接工艺稳定可靠。在ＭＴＳ—８１０材料试验机上做了抽油杆短杆接头的疲劳试验, 采用数理统计方法统计分析Ｄ 级空心抽油杆疲劳性能, 获得Ｄ级杆的Ｐ－ Ｓ－ Ｎ 曲线和疲劳极限图, 求得存活率Ｐ＝ ９９－９ ％ 及对应寿命Ｎ＝ １０７时抽油杆的最大应力水平为２４４－３７ＭＰａ。统计结果表明, 按有关工艺制造的Ｄ级空心抽油杆疲劳强度满足使用要求。     

水平井抽油杆载荷计算

按水平井抽油杆柱与油管不同接触状态，给出了在造斜井段、稳斜（斜直）井段抽油杆轴向力和抽油杆柱底端载荷的计算公式。对某井造斜井段的实例计算结果表明，抽油杆与油管间挤压力绝对值随轴向力绝对值增加而增加，上冲程时，造斜井段上部的抽油杆与油管间的磨损最严重。     

抽油杆表面横向裂纹扩展试验研究

用３５ＣｒＭｏ材料制成符合国标Ｄ级抽油杆机械性能指标的圆棒试件。通过试验研究了带表面横向裂纹试件在拉─拉交变载荷作用下表面横向裂纹的扩展情况。用降载勾线法描述了试件表面横向裂纹前沿的变化过程；根据试验数据的多项式回归，找出了试件表面横向裂纹前沿的变化规律。此试验结果可作为抽油杆表面横向裂纹扩展速率和抽油杆失效分析的依据。     

柔性连续抽油杆表面防护材料的试验研究

柔性连续抽油杆由于钢丝绳含碳量高 ,耐腐蚀性能差 ,以及工况的特殊性和油田腐蚀环境的复杂性 ,存在严重的腐蚀问题。鉴于此 ,选用柔性连续抽油杆表面防护涂层材料及相关材料进行了老化性能和拉伸性能的综合试验、熔融指数测定试验和腐蚀性能试验等多种对比试验研究。结果表明 ,在用的表面防护材料PA6— 2和拟选用的表面防护材料PA66— 1等尼龙类工程材料具有强度高、韧性好、高低温性能好、加工性能好和耐腐蚀性能好等优点 ,能够满足柔性连续抽油杆在油井环境下的表面防护要求。     

自增强残余应力计算模型的研究

针对当前自增强设备设计中所依据的理想弹塑性模型误差较大的情况 ,从材料实际拉压性能出发 ,构建自增强残余应力计算模型。分析了超应变度、Bauschinger效应和材料强化对自增强压力和反向屈服的影响 ,得到了基于材料双线性理论模型的自增强残余应力、临界径比、自增强压力和Bauschinger效应系数计算式 ;通过材料性能试验、自增强处理试验和残余应力检测 ,对比分析了基于双线性理论模型和弹塑性理论模型的自增强残余应力计算式的精度。结果表明 ,双线性模型的计算精度比理想弹塑性模型高 2倍以上 ,其最大计算误差仅为 7 5 7%。