摘要：本文从光杆受力、磨损和腐蚀三方面分析光杆断裂原因，找出光杆断裂的关键原因，进而提出改进意见，防止光杆断裂的发生。

关键词：光杆断裂  合金光杆  磨损  腐蚀

1.前言

抽油机光杆是抽油机连接深井泵重要构件，由于管理不善及腐蚀磨损等原因导致抽油机光杆断裂几率增加，光杆断裂不仅影响产量，增加成本，还会造成环境污染，严重影响生产正常运行，现通过多方面原因分析导致光杆断裂机制，制定相应措施。

2.光杆断裂原因分析

2.1光杆受力原因导致断裂

通常情况下，光杆所承受的交变应力远小于其静载下的强度极限，不易发生断裂。但由于方卡子及其他受力原因，当抽油机光杆在做往复运动过程中，光杆会因局部侧向应力较大使截面产生细微裂纹，这种裂纹会随着载荷变化及往复运动而增加且不断向四周扩展，在截面突变处往往会引起局部应力的持续增大，导致应力集中，当裂纹扩展到一定程度时，承受载荷的面积愈来愈小，光杆就会在某一载荷作用下发生突然断裂，以下将具体介绍光杆的受力情况。

2.1.1方卡子剪切预应力

由于光杆卡子内部卡牙结构，当光杆悬挂抽油杆柱时要承受方卡子剪切预应力，当抽油机光杆在做往复运动过程中，光杆与卡牙接触部位因受应力使截面尺寸发生变化，引起截面变化附近的小范围内应力的急剧增加，导致应力集中，而离开这个区域稍远处，应力逐渐降低，并趋于均匀分布。光杆长期受不断重复变化承受载荷作用，最终在某一应力或载荷下光杆发生脆断。由此可见，方卡子预应力是导致光杆应力集中的根本原因，也是光杆断裂的一个主要原因[1]。如图：

2.1.2侧向应力的影响

由于设备影响，如抽油机驴头不对中，井口倾斜，抽油机迁移或者后移，毛辫子不等长，光杆上行碰驴头等原因会导致光杆受侧向应力。侧向应力会导致光杆横截面上产生细小裂纹，造成光杆强度下降，长时间运行会导致裂纹逐步增大，导致光杆强度呈指数级下降。同时由于裂纹的出现，导致光杆受力出现较大变化，侧向应力集中在裂纹处，若应力相对较小，长时间承受侧向应力会导致疲劳断裂;若应力较大，同时根据设备故障情况严重程度，侧向应力可能会超过光杆侧向受力极限，导致光杆发生脆性断裂。侧向应力同时导致方卡子剪切预应力增大，增加光杆断裂风险[2]。

2.1.3油井载荷变化

油井日常生产中，由于结蜡、结垢、油杆偏磨、井组回压等原因会导致油井载荷增大，由于光杆交变应力强度远大于实际生产中受力强度，不易发生因拉力增大而导致的脆性断裂，但光杆载荷增大会加大方卡子剪切应力，造成光杆受损加剧，应力大大集中;同时会增大侧向应力的影响效果，加速裂纹的延伸，加大应力集中程度，加剧光杆断裂风险。

2.2光杆磨损导致断裂

2.2.1磨料磨损

磨料磨损是指硬的颗粒或凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中，使材料表面损耗的一种现象或过程。磨料磨损为硬性磨损，采出液中杂质的硬度在磨损过程中起了决定性作用。由于抽油机井采出液中含有尺寸大小不同的砂、 石等杂质，且由于打井及措施的影响，不可避免出现较多的杂质，所以抽油机光杆的磨损主要为磨料磨损。

2.2.2 疲劳磨损

抽油机光杆受盘根的压紧作用在表面上会产生局部的压入应力，光杆运动使之在接触压应力长期的反复作用后，在光滑的接触表面上便会产生针状或豆状的凹坑或较大面积的表面层压碎，这就是疲劳磨损[3]。

疲劳磨损主要是液体在压力作用下对光杆造成的压入式冲击，当液体在光杆表面造成裂缝后，根据以后发展可分为两种情况：一是液体首先因冲击压力造成细小裂缝，然后在冲击过程中裂缝逐渐增大，最终形成不规则冲击坑，此类磨损特点是冲击坑不规则且较浅;二是液体冲击形成细小裂缝后，液体在裂缝底部逐渐扩散，形成塑性变形区，裂缝底部液体逐步扩散，最终会导致光杆表层整块剥落，此类磨损特点是剥落块底面整齐且较深[4]。

光杆表面磨损不仅容易造成光杆强度下降，还会引起盘根磨损加剧，增加工作强度，造成环境污染。

2.3光杆腐蚀导致断裂

2.3.1 氧腐蚀机理

随着油井含水上升， 光杆在使用过程中， 附着其表面的水量、含氧量增多，在氧作用下产生的电化学腐蚀， 导致光杆发生腐蚀。

在酸性介质中： Fe = Fe2+ + 2e

阳极发生反应：Fe2+ + 2OH-= Fe （ OH ）2

阴极发生反应：2H+ + 2e= H2

在氧的作用下： H2 + 1/2 O2= H2O

阴极去极化作用：2Fe（OH）2 + 1/2 O2 + H2O= Fe（OH）3

结果： 先引起点腐蚀， 进而导致面腐蚀， 最终导致更换光杆。

2.3.2 硫化氢腐蚀机理

油井在生产过程中， 伴随产生硫化氢气体，对光杆具有一定的腐蚀性，常表现为由点蚀导致蚀坑，其腐蚀的特点有3个：硫化氢离解产物HS-、S2-对腐蚀都有促进作用;不同条件下生成的腐蚀产物性质不同，如低温下形成 FexSy促进腐蚀;温度较高时，形成的 FeS则抑制腐蚀;另外，溶于水后的CO2、采出水中的铁细菌、腐生菌、光杆在工作时受到盘根的摩擦以及盘根的硬度、粗糙度等对光杆腐蚀也有一定程度的影响。

2.3.3 氢脆断裂机理

在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温氢脆时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹。H2S除了能引起局部腐蚀外，产生的氢离子容易渗入金属内部形成分子氢，同时在氢离子作用下会使金属内部形成浓度及电压差，促使内部氢加速转移，减短氢脆发生时间。

3.光杆断裂预防措施

3.1整改油井设备运行状况，改善光杆受力状况

整改油井及设备运行状况可以改善光杆受力情况，减小断裂危险。可从以下几个方面整改：

1 消除侧向应力：调整驴头对中，消除悬绳器不平衡，整改光杆碰驴头等现象，可以消除光杆和盘根盒、方卡子的硬性错位，极大的减小光杆承受的侧向应力，减小断裂风险。

2 降低油井载荷：坚持井筒加药，防止油井结蜡、结垢现象，降低油井载荷;优化油井工作参数，上提泵挂，减小泵径，改善杆串自重等方面的改进可以减小油井载荷，降低侧向应力的影响效果。

3.2增大光杆强度，减少原油杂质

原油中杂质含量较高，盘根盒中存在异物，盘根压紧程度不合适等都会造成光杆磨损。油井管串安装防砂器，减少原油中杂质含量，清除盘根盒中异物，防止对光杆的硬性磨损。盘根安装时若太紧会造成盘根对光杆的硬性磨损，盘根太松原油会进入盘根和光杆间隙，在压力作用下会导致对光杆的冲击磨损。盘根松紧应调节至刚好不漏油位置。同时可以更换高强度光杆，增长光杆使用时间。

3.3 光杆表面增加防腐涂层

日常生产中，由于原油含水原因，氧腐蚀是最常见的一种腐蚀情况。光杆中含有碳，一旦出现因附着水分产生的氧腐蚀，会发生电化学反应，加速腐蚀进度。光杆表面电镀惰性金属防腐层，既可以增加光杆强度，也可以很好的防止腐蚀。现应用的防腐光杆种类较多，电镀镍磷层，钛层，钨层等光杆都有很好的防腐效果，同时可以防止硫化氢造成的酸性腐蚀。

4.结论及建议

光杆的磨损和腐蚀会降低光杆强度，减短使用寿命，由于光杆设计强度远大于实际生产中的载荷，造成光杆断裂的直接原因是受力情况。更换合金光杆可以很好地解决磨损和腐蚀情况，但由于合金光杆硬度较大，承受较大侧向应力的情况下，很容易发生脆性断裂。