本文關(guān)鍵詞：鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞特性實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

抽油桿

抽油桿是抽油機(jī)井的細(xì)長桿件，它上接總桿，下接抽油泵起傳遞動力的作用。 抽油桿單根長度為六米，材質(zhì)一般是高碳鋼表面鍍硬鉻,在油管內(nèi)用內(nèi)螺紋箍一根根連接起來一直延伸到地下油層處的活塞上,通過往復(fù)運(yùn)動來泵油.

目前的油井長度一般在兩千米左右,以勝利油田為例,最深的以達(dá)三千余米。 抽油桿的發(fā)展

抽油桿是有桿抽油設(shè)備的重要部件，它將抽油機(jī)的動力傳遞給井下抽油泵。抽油桿柱是由數(shù)十根或數(shù)百根抽油桿通過接箍連接而成。

在采油過程中，抽油桿柱承受不對稱循環(huán)載荷的作用，工作介質(zhì)為井液（原油和礦層水），而許多抽油井的井液含有腐蝕介質(zhì)。因此，抽油桿的主要失效形式為疲勞斷裂或腐蝕疲勞斷裂。抽油桿的斷脫事故會嚴(yán)重影響原油產(chǎn)量，增加了修井費(fèi)用，提高了原油成本。

抽油桿有近百年的歷史。最原始的抽鹽鹵桿是用藤條做的。第一個金屬抽油桿專利（U.S.528168）是美國于亥俄州的Samuel M.Jones于1894年10月30日獲得的。近20年來，國內(nèi)外在抽油桿的制造方面采用了許多新材料、新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝，如采用多元素合金鋼、玻璃鋼；采用中頻感應(yīng)透熱設(shè)備加熱及自動化平鍛機(jī)進(jìn)行鍛造，采用中頻感應(yīng)加熱淬火裝置及紅外光導(dǎo)智能測溫儀器，抽油桿頭部不旋轉(zhuǎn)加工生產(chǎn)線，接箍自動生產(chǎn)線；以及先進(jìn)的鍛模設(shè)計技術(shù)，抽油桿外螺紋滾壓工藝，接箍內(nèi)螺紋半切削半擠壓工藝，摩擦焊接工藝，噴丸強(qiáng)化工藝，表面感應(yīng)淬火工藝等，大大提高了抽油桿的制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

為了滿足大泵強(qiáng)采、小泵深抽、稠油井、高含臘井、腐蝕井和斜井采油的需要，國內(nèi)外開發(fā)了許多特種抽油桿，如超高強(qiáng)度抽油桿、玻璃鋼抽油桿、空心抽油桿、KD級抽油桿、連續(xù)抽油桿、電熱抽油桿、鋼絲繩抽油桿和鋁合金抽油桿等，并研究了許多抽油桿柱的配套件，如長沖程高強(qiáng)度光桿、無牙光桿卡子、旋桿器、減震器、石墨可調(diào)心光桿密封盒、滾輪接箍、扶正器、刮蠟器、加重桿、防脫器、脫接器、磁防蠟器和泵空控制器等，進(jìn)一步提高了抽油桿的使用壽命和應(yīng)用范圍。

抽油桿的結(jié)構(gòu)和用途

抽油桿是有桿抽油設(shè)備的重要部件。抽油桿通過接箍連接成抽油桿柱，上經(jīng)光桿連接抽油機(jī)，下接抽油泵的柱塞，其作用是將地面抽油機(jī)驢頭懸點的往復(fù)運(yùn)動傳遞給井下抽油泵。

抽油桿螺紋失效常常表現(xiàn)為螺紋的拉壞。但由于現(xiàn)代API抽油桿的螺紋的下部凹陷設(shè)計以及制造螺紋時采用滾壓代替車削，此類問題的出現(xiàn)已大為減少。普通抽油桿及其桿頭結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其桿體是實心圓形斷面的鋼桿，兩端為鐓粗的桿頭。桿頭由外螺紋接頭、卸荷槽（應(yīng)力分散槽）、推承面臺肩、扳手方徑、凸緣和圓弧過渡區(qū)組成。外螺紋接頭用來與接箍相連接，扳手方頸用來裝卸抽油桿接頭時卡抽油桿鉗用。

16MnR是普通低合金鋼，是鍋爐壓力容器專用鋼，鍋爐壓力容器的常用材料，40Cr是中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷鐓模具鋼，經(jīng)熱處理后用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件，承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件，具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件等。

早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始研究鋁合金抽油桿在工程的應(yīng)用，但由于其

彈性模量低、沖程損失大，泵效較低，只適于泵掛不太深的低產(chǎn)井，其開發(fā)應(yīng)用停滯不前。因此，雖然高強(qiáng)度鋁合金的耐應(yīng)力腐蝕機(jī)理及特性研究起步較早，但因其應(yīng)用的局限性而中斷了，不能為抽油桿柱設(shè)計中材料耐腐蝕選材提供依據(jù)。

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孟祥琦. 鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞特性實驗研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2012

一般腐蝕的的斷面是光滑的，斷口呈脆性斷裂，而腐蝕疲勞斷面由于腐蝕坑而多是有缺陷的，斷口多呈貝殼狀或有疲勞輝紋。腐蝕疲勞裂紋多是穿晶型裂紋，也有混合型裂紋。與純金屬在應(yīng)力腐蝕開裂中腐蝕敏感性較低不同，純金屬與合金一樣會發(fā)生腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕開裂是應(yīng)力與特定腐蝕介質(zhì)的共同作用，而腐蝕疲勞不需要特定的的腐蝕介質(zhì)，在任何腐蝕環(huán)境中都能發(fā)生。

表1.1給出了幾種合金材料的疲勞極限與腐蝕疲勞強(qiáng)度。因此，腐蝕疲勞更具有普遍性。

表 1.1 幾種合金材料的疲勞極限與腐蝕疲勞強(qiáng)度[6]

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

從損傷演化的角度看，腐蝕疲勞是由疲勞損傷和腐蝕損傷的耦合效應(yīng)造成的。因此腐蝕疲勞過程中，存在兩種基本的損傷形式[1]。一是循環(huán)應(yīng)力引起的微區(qū)金屬反復(fù)滑移，形成滑移帶，是造成疲勞損傷的基本原因；二是由腐蝕介質(zhì)與金屬通過電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕損傷。當(dāng)這兩種損傷共存時，二者的作用不是簡單疊加，而是這兩種基本損傷之間存在明顯的交互作用，即互相促進(jìn)。在占疲勞壽命絕大部分的前期，損傷及其演化速率均很小，些微的附加損傷就意味著很長的壽命消耗。腐蝕損傷則一般是時間依存型的，其損傷累積需要一定的時間。正因為如此，腐蝕環(huán)境對高頻疲勞的影響相對較小，而對低周疲勞的影響則較大。另一方面，與恒應(yīng)力時相比，交變應(yīng)力也使得腐蝕損傷演化速率增大，因此靜載時

可以忽略的腐蝕效應(yīng)，交變載荷時就會變得比較明顯。在實際的腐蝕疲勞過程中，腐蝕損傷與疲勞損傷演化是耦合的，腐蝕加快疲勞損傷演化，交變應(yīng)力又反過來促進(jìn)腐蝕損傷的發(fā)展，兩者共同構(gòu)成的損傷演化決定了腐蝕疲勞的壽命。腐蝕疲勞的裂紋萌生壽命一般也只占總壽命的五分之一到十分之一，一般通過由試驗得到的經(jīng)驗公式來進(jìn)行評價。將可以檢測到最小宏觀裂紋時的壽命作為萌生壽命，經(jīng)驗公式為如下形式[1]：

式中m、C是與腐蝕環(huán)境有關(guān)的常數(shù)，?σc是人為定義的對應(yīng)于特定循環(huán)次數(shù)的疲勞強(qiáng)度。

常見的腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理模型主要有四種：①點蝕加速裂紋形成理論：在腐蝕疲勞初期，金屬表面固有的電化學(xué)性不均勻和疲勞損傷導(dǎo)致滑移帶形成所造成的電化學(xué)性不均勻，腐蝕的結(jié)果在金屬表面形成點蝕坑，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)

致裂紋過早形成；②形變活化腐蝕理論：循環(huán)應(yīng)力下滑移帶的形成使金屬電化學(xué)性不均勻，滑移帶集中的變形區(qū)域與未變形區(qū)域組成腐蝕電池，變形區(qū)為陽極，未變形區(qū)為陰極，陽極不斷溶解而形成疲勞裂紋；③保護(hù)膜破裂理論：對易鈍化的金屬，腐蝕介質(zhì)首先在金屬表面形成鈍化膜，在循環(huán)應(yīng)力作用下，表面鈍化膜遭到破壞，而在滑移臺階處形成無膜的微小陽極區(qū)，在四周大面積有膜覆蓋的陰極區(qū)作用下，陽極區(qū)快速溶解，直到膜重新修復(fù)為止，重復(fù)以上滑移–膜破–溶解–成膜的過程，便逐步形成腐蝕疲勞裂紋；④吸附理論：金屬與環(huán)境界面吸附了活性物質(zhì)，使金屬表面能降低，從而改變了金屬的機(jī)械性能，氫脆是吸附理論的典型例子。

由于腐蝕疲勞的復(fù)雜性，其涉及力學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)、金屬材料學(xué)及冶金學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容，尚有很多理論問題沒有得到很好地解決，尤其是腐蝕疲勞的工程應(yīng)用方面。在工程實踐中，很多構(gòu)件是在腐蝕性環(huán)境中工作的，如海洋結(jié)構(gòu)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)及石油化工設(shè)備等，常因受循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境的交互作用發(fā)生腐蝕疲勞破壞。因此，腐蝕疲勞已成為工程實踐中的一個十分重要的問題，腐蝕疲勞的研究也一直為科技工程界所關(guān)注。

對腐蝕疲勞的認(rèn)識可從以下力學(xué)-電化學(xué)過程和吸附電化學(xué)理論兩個方面考慮。材料在電解質(zhì)中的腐蝕疲勞過程是一個力學(xué)-電化學(xué)過程，即金屬在交變應(yīng)力的作用下，改變了材料微觀組織結(jié)構(gòu)的均勻性，破壞了原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了電化學(xué)不均勻性，應(yīng)變部位的金屬為陽極，未應(yīng)變的金屬為陰極，在電化學(xué)和交變應(yīng)力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生微裂紋。吸附電化學(xué)理論認(rèn)為，在腐蝕介質(zhì)的作用下，金屬表面發(fā)生了介質(zhì)中表面活性因子的吸附，在微裂紋中產(chǎn)生了楔入作

用。微裂縫是在交變應(yīng)力作用下由于滑移所生成的顯微蝕坑和表面處位錯的堆積。表面活性組分的楔入吸附，引起金屬擴(kuò)散滲入金屬，造成金屬的脆化，在一定的條件下氫能導(dǎo)致疲勞，在塑性變形時氫能沿金屬的滑移面很快的擴(kuò)散滲入金屬。

  本文關(guān)鍵詞：鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞特性實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。