柱塞式往復(fù)注水泵曲軸斷裂失效分析

申昭熙，程建平，仝珂

1.中國(guó)石油石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）

2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 物資供應(yīng)處（物資管理部）商檢所 （陜西 西安 710018）

0 引言

2019 年8 月，某油田作業(yè)區(qū)注水站一注水泵曲軸斷裂。該注水站2018年12月投用，共安裝4座同類型撬裝結(jié)構(gòu)的柱塞式往復(fù)注水泵，平時(shí)運(yùn)行2座，每座注水泵設(shè)計(jì)額定流量750 m3/d。注水站下轄注水井90 余口，實(shí)注1 969 m3/d。撬裝結(jié)構(gòu)注水泵系統(tǒng)如圖1所示，注水泵采用螺栓安裝在鋼結(jié)構(gòu)上，再用螺栓與下層鋼結(jié)構(gòu)連接。注水泵曲軸材質(zhì)為QT900-2，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1348—2009《球墨鑄鐵件》[1]。由于曲軸質(zhì)量不足2 000 kg，曲軸生產(chǎn)廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用了單鑄試樣方法來(lái)檢測(cè)曲軸材料強(qiáng)度、布氏硬度和金相組織，檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。于2019 年9 月對(duì)失效曲軸一側(cè)斷口進(jìn)行檢測(cè)，分析斷裂失效原因。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的資料，撬裝式注水泵運(yùn)行中存在如下問(wèn)題：①振動(dòng)嚴(yán)重，連接螺栓頻繁松動(dòng)；②注水泵運(yùn)行時(shí)伴有嚴(yán)重的敲擊聲；③失效注水泵盤根和柱塞多次損壞更換，柱塞更換了17根；④振動(dòng)監(jiān)測(cè)表明注水泵振動(dòng)超標(biāo)，不滿足相關(guān)規(guī)范要求；⑤注水泵的潤(rùn)滑油泵固定基座和電機(jī)軸流風(fēng)機(jī)固定支架斷裂。

圖1 撬裝結(jié)構(gòu)注水泵系統(tǒng)及與鋼結(jié)構(gòu)連接

1 曲軸斷口宏觀分析

失效曲軸斷口宏觀形貌如圖2（a）和（b）所示，斷口在整個(gè)曲軸上的位置如圖2（c）所示。斷口較為平齊，無(wú)明顯塑性變形，部分區(qū)域由于碰撞而呈現(xiàn)金屬光澤。斷口擴(kuò)展區(qū)有2 種形貌，斷口中間區(qū)域粗糙顏色較深，其他區(qū)域相對(duì)平整顏色較淺。裂紋起源于連桿軸頸到曲柄的過(guò)渡圓弧尾部，如圖2（a）圈中所示，此處為應(yīng)力集中區(qū)[2-4]。從斷口整體形貌可看出，裂紋萌生后呈圓弧狀擴(kuò)展，最后強(qiáng)度不足，突然斷裂。

2 曲軸斷口微觀分析

在斷口上取樣并徹底清洗，采用掃描電子顯微鏡和金相光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌觀察。在裂紋源區(qū)，斷口為沿晶斷裂，如圖3所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)有被壓平的痕跡，顯示為疲勞載荷作用，如圖4（a）所示。顏色較深的擴(kuò)展區(qū)組織不均勻，微觀下看到很少石墨球，如圖4（b）、圖5（a）和圖5（b）所示。從顏色較淺擴(kuò)展區(qū)可看到石墨球相對(duì)分布均勻，如圖4（c）和圖5（c）所示。

圖2 曲軸斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源區(qū)沿晶斷裂

3 金相分析

在斷口上取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果見(jiàn)表1。金相分析結(jié)果顯示，裂紋源區(qū)和斷口擴(kuò)展區(qū)石墨球化分布不均勻，如圖5所示；曲軸材料組織以珠光體為主，含有一定量鐵素體，分布不均勻，如圖6所示；金相組織和石墨球化等級(jí)不符合GB/T 1348—2009[1]對(duì)QT900-2材質(zhì)的要求。

4 力學(xué)性能分析

4.1 拉伸試驗(yàn)

在失效曲軸上取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，材料的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1348—2009 對(duì)QT900-2材質(zhì)的要求。

圖4 斷口擴(kuò)展區(qū)電子顯微鏡微觀形貌

圖5 斷口擴(kuò)展區(qū)金相光學(xué)顯微鏡微觀形貌

表1 金相分析結(jié)果

圖6 顏色較深的裂紋擴(kuò)展區(qū)金相組織

表2 室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 夏比沖擊試驗(yàn)

在失效曲軸上取夏比沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1348—2009 沒(méi)有規(guī)定QT-9002A材質(zhì)鑄件的夏比沖擊功要求。

表3 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.3 布氏硬度測(cè)試

在失效曲軸上取布氏硬度試樣用HBW 10/3000進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。布氏硬度不符合GB/T 1348—2009要求：280～360 HBW。

表4 布氏硬度測(cè)試結(jié)果

4.4力學(xué)分析結(jié)果

失效曲軸材料抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果不符合GB/T 1348—2009對(duì)QT900-2材質(zhì)的要求，夏比沖擊功很低。研究表明，如不能嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)工藝要求，球墨鑄鐵容易出現(xiàn)組織缺陷，降低材料性能[5-8]。球墨鑄鐵曲軸在生產(chǎn)過(guò)程中采用單鑄試樣方法進(jìn)行質(zhì)量控制，不能保證曲軸本體性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 分析與討論

拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸本體的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不符合GB/T 1348—2009對(duì)QT900-2材質(zhì)的要求；夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸本體材料的沖擊功非常低；布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，該曲軸本體布氏硬度不符合GB/T 1348—2009對(duì)QT900-2材質(zhì)的要求；曲軸本體金相分析結(jié)果表明，金相組織和石墨球化等級(jí)不符合GB/T 1348—2009要求。

曲軸斷口宏觀形貌屬典型脆性疲勞特征。裂紋起源于曲軸連桿軸頸與曲柄連接過(guò)渡圓弧即將結(jié)束處，此處由于幾何尺寸變化，為應(yīng)力集中區(qū)域，容易萌生裂紋[4]。裂紋在曲軸服役過(guò)程中（承受疲勞載荷）發(fā)生疲勞擴(kuò)展，導(dǎo)致最終斷裂。

根據(jù)以上曲軸材料理化性能檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合服役工況，注水泵曲軸斷裂原因如下：

1）材料抗拉強(qiáng)度低。失效曲軸的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度為 453～561 MPa，僅相當(dāng)于 QT900-2 材質(zhì)規(guī)定抗拉強(qiáng)度的50%～62%。

2）材料韌性不足。曲軸材料較低的伸長(zhǎng)率和夏比沖擊功表明材料較脆，失效曲軸材料的疲勞強(qiáng)度比同等抗拉強(qiáng)度牌號(hào)的球墨鑄鐵更低。

3）疲勞載荷較高。注水泵利用螺栓安裝到2層鋼結(jié)構(gòu)上形成撬裝結(jié)構(gòu)，注水泵的振動(dòng)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中松動(dòng)的螺栓使得注水泵與鋼結(jié)構(gòu)連接出現(xiàn)間隙，注水泵振動(dòng)幅度加大。在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生螺栓頻繁松動(dòng)、多個(gè)部件損壞更換和注水泵實(shí)測(cè)振動(dòng)嚴(yán)重等現(xiàn)象，表明最終作用在曲軸上的疲勞載荷較高。

4）曲軸斷口的心部及裂紋源區(qū)球化石墨少，球化石墨分布比較集中，組織分布不均勻。研究表明，組織不均勻不僅增加內(nèi)應(yīng)力，還會(huì)進(jìn)一步增加曲軸內(nèi)部應(yīng)力集中程度。

5）負(fù)載過(guò)大。現(xiàn)場(chǎng)資料顯示，注水站每天運(yùn)行2 座注水泵，實(shí)際注水量為1 969 m3/d，超過(guò)了1 500 m3/d 的設(shè)計(jì)額定值，這也是導(dǎo)致早期疲勞失效的一個(gè)因素。

6 結(jié)論及建議

1）姬28注水站失效注水泵曲軸抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度、金相組織和石墨球化等級(jí)不滿足GB/T 1348—2009要求，為鑄造過(guò)程中球化及孕育和熱處理工藝執(zhí)行不嚴(yán)所致。

2）該曲軸斷裂屬于早期疲勞斷裂，裂紋起源于曲軸連桿軸頸與曲柄連接處。曲軸的較低強(qiáng)度、極低的沖擊韌性、材料組織不均勻以及現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的嚴(yán)重振動(dòng)是導(dǎo)致該曲軸發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。

3）生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，采用曲軸本體取樣方法檢測(cè)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、布氏硬度、夏比沖擊功和金相組織，保證材料力學(xué)性能和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織分布均勻。

4）優(yōu)化撬裝注水泵結(jié)構(gòu)與連接設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)整體振動(dòng)幅值。

5）注水泵運(yùn)行負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)額定值。