壓裂泵液力端排出管匯螺栓失效分析

鄧春強

（廣漢金鵬石油機械有限公司，四川 廣漢618300）

2019年11 月，在四川威頁XX平臺頁巖氣壓裂施工時，一臺壓裂泵車液力端排出管匯連接螺栓位于左下方的一顆發(fā)生異常斷裂；該螺栓設計使用壽命大于100 h，而實際僅使用到60 h，螺栓在工作過程中承載交變載荷；螺栓制造過程呈標準化、批量化的特點，由搓絲工藝制作，生產(chǎn)工藝流程為：下料－粗加工－調(diào)質(zhì)處理－精加工－搓絲－表面處理。熱處理工藝為：860℃保溫2 h油淬，520℃回火3 h水冷。通過宏觀及微觀斷口形貌觀察和理化性能、金相組織分析等檢測，找出主要原因，并提出改進措施。

1 斷口分析

1.1 宏觀觀察斷口

斷裂位置和斷口宏觀形貌如圖1、圖2。

圖1 斷裂位置

圖2 斷口宏觀形貌

該壓裂泵車液力端排出管匯使用1”-8UNC雙頭螺栓，所用鋼材為42CrMo；斷裂失效位置位于靠近螺母支離承面的螺紋部位，螺栓其余部位尚未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的明顯劃痕、碰傷等缺陷；斷口未見腐蝕痕跡、無明顯塑性變形且呈灰白色，中間部位呈較為平滑的近似圓形且結晶細膩；裂紋源處周圍存在由中心向外散、似環(huán)狀水波紋狀平整可見的細小貝紋線，螺栓邊緣斷裂區(qū)域剪切唇明顯有約呈45°左右的夾角，此為韌性斷裂特征。依據(jù)宏觀斷口形貌特征可以判斷螺栓斷裂失效形式為疲勞斷裂。

疲勞斷裂失效的發(fā)生通常經(jīng)歷四個階段：

（1）產(chǎn)生斷面疲勞源；

（2）裂紋緩慢擴展；

（3）裂紋迅速擴展；

（4）最終發(fā)生瞬間斷裂。

1.2 微觀觀察

對失效螺栓斷面進行掃描電鏡觀察，斷面疲勞源經(jīng)低倍放大后形貌如圖3所示，其斷口無明顯的塑性變形，有明顯可見的疲勞貝紋線，如圖4所示。

圖3 斷面疲勞源形貌

圖4 疲勞貝紋線

為進一步驗證疲勞斷裂起源，如圖5所示，放大疲勞擴展貝紋線，可見，螺栓瞬間斷裂區(qū)為韌窩形貌特征，在螺栓整個斷面上尚未發(fā)現(xiàn)異常金屬夾雜物和其他冶金缺陷的存在痕跡。

圖5 微觀形貌

如圖6所示，經(jīng)清洗去除雜物后觀察，斷裂源附近的區(qū)域表面存在明顯的機械損傷變形及裂紋，且局部呈鱗片狀分布。

圖6 裂紋

為更進一步確定螺栓疲勞失效的原因，從斷裂螺栓缺陷附近沿縱向取樣，磨制并拋光后進行顯微分析觀察，發(fā)現(xiàn)所有的螺紋根部均存在裂紋缺陷[1]，而裂紋附近均存在細小顆粒狀高溫氧化物，如圖7所示。

圖7 螺紋根部裂紋

1.3 化學成分分析

從斷裂的螺栓端口下方約30 mm處取樣，采用金屬分析儀進行化學成分分析，結果如表1所示，符合GB/T 3077－2015[2]對42CrMo鋼成分的技術要求。

表1 化學成分分析檢測結果

由檢測結果可知，易導致鋼出現(xiàn)脆性斷裂的雜質(zhì)化學元素硫、磷含量并未超出規(guī)定范圍，由此可以排除硫、磷元素含量超標導致的脆斷。

1.4 力學性能測試

依據(jù)GB/T 231.1－2018[3]，螺栓表面硬度HB329，芯部硬度HB310，符合技術要求。將斷裂后較長部分做拉伸試驗，車削時發(fā)現(xiàn)有螺紋，說明螺栓內(nèi)部存在許多表面看不見的隱形裂紋。對完好螺栓按照GB/T 228－2010[4]進行力學性能檢測，結果如表2，均滿足技術要求。

表2 完好的螺栓力學性能測試結果

1.5 金相組織分析

按照GB/T 13298－2015[5]在斷裂的螺栓斷口附近取金相試樣，隨后置于光學顯微鏡下觀察[6]，組織為回火索氏體；除表面存在較多裂紋外，尚未發(fā)現(xiàn)組織異常以及其他冶金缺陷[7]，如圖8所示。晶粒度依據(jù)GB/T 6394－2017[8]評定為7級。

圖8 螺栓組織

根據(jù)GB/T 10561－2005[9]中的實際檢驗A法進行非金屬夾雜物級別評定，結果如表3所示，斷裂螺栓非金屬夾雜物相對較少，材料純凈度良好，無明顯異常。

表3 非金屬夾雜物測試結果

綜上所述，螺栓顯微組織及非金屬夾雜物級別均為正常。微裂紋形態(tài)不一，略有分叉，裂紋源表面及微裂紋間隙中均存在氧化皮。

2 應力分析及疲勞計算

考慮到現(xiàn)場壓裂施工作業(yè)中超深井、超高壓井日益增加，在高壓力和高排量工況下，壓裂泵液力端各零部件損壞更換比較頻繁。利用Inventor軟件建立壓裂泵、高壓排出管匯及螺栓組件連接的三維實體模型，如圖9所示，采用ANSYS Workbench對其進行壓力140 MPa、沖次330 min-1模擬工作環(huán)境下的計算分析。

圖9 三維實體模型

壓裂泵與高壓排出管匯使用8組1”-8UNC螺栓組件連接，考慮結構的對稱性，對其進行模型簡化處理分析，僅取八分之一建模進行圓周循環(huán)對稱分析，采用Tetrahedrons Method法對有限元實體模型進行單元網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)2782120、節(jié)點總數(shù)2008282，如圖10所示。

圖10 結構的八分之一及網(wǎng)格劃分結果

對壓裂泵與高壓排出管匯連接處的端面施加固定約束，在螺栓軸向施加337151 N的預緊載荷，在壓裂泵與高壓排出管匯的內(nèi)表面施加140 MPa的內(nèi)部壓力；為了便于計算，不建立螺栓和螺母的螺紋真實牙型，在Geometric Modification中設置相應的參數(shù)數(shù)據(jù)進行計算；并依據(jù)材料力學中第四強度理論進行分析。

如圖11所示，當僅加載預緊力載荷時，螺栓光桿、光桿與螺紋結合處都出現(xiàn)不同程度的應力，位于靠近螺母支離承面的螺紋部位，最大應力為173.61 MPa；當既加載預緊力載荷、又加載來自壓裂泵與高壓排出管匯內(nèi)部壓力時，最大應力為184.07 MPa，受交變載荷的影響，螺栓的最大應力在173.61～184.07 MPa之間交替變化，其應力比為0.943。

圖11 不同加載情況的螺栓應力分布圖

螺栓的最大應力為187.09 MPa，如圖12所示；螺栓的最大變形出現(xiàn)在螺栓光桿處，為0.040502 mm，如圖13所示。

圖12 螺栓應力強度分布圖

圖13 螺栓總變形分布圖

以螺栓材料的S-N曲線為主要設計依據(jù)，結合Palmgren-Miner準則，通過Fatigue Tool疲勞模塊對螺栓的疲勞壽命進行分析計算；如圖14所示，螺栓的理論無限壽命為1E6次，而螺栓受交變載荷影響下最小壽命為34756次。Damagel螺栓損傷結果是指設計壽命與可用壽命的比值，圖15說明產(chǎn)生了疲勞破壞。由圖16可知，螺栓整體的疲勞安全系數(shù)為0.46829～15，其中最小值出現(xiàn)在螺栓光桿、光桿與螺紋結合部位。

圖14 螺栓疲勞壽命云圖

圖15 螺栓損傷分布云圖

圖16 安全系數(shù)云圖

由上述分析可看出，此種螺栓整體結構在交變載荷下最大應力為184.07 MPa，小于材料許用應力，而應力集中位于光桿與螺紋結合部位、靠近螺母支離承面的螺紋；根據(jù)圖14，按照目前的施工工況，以周期3 min/次、每天平均工作10 h左右來計算，其螺栓的理論疲勞使用壽命為0.48年，其值與原設計使用壽命吻合。

3 失效原因分析

根據(jù)上述對螺栓材料的化學成分、力學性能檢測和金相組織及鋼中非金屬夾雜物含量等檢測分析結果得知，螺栓材質(zhì)完全符合設計要求。但通過宏觀斷口可以判斷，螺栓的斷裂失效形式屬于疲勞斷裂，而疲勞起源于螺栓螺紋齒根部表面裂紋及損傷部位。

螺栓在壓裂成套設備中起著連接、緊固、定位及密封等重要作用，而導致失效并影響螺栓疲勞性能有多種因素?，F(xiàn)場壓裂施工過程大多都處于高壓作業(yè)階段，所以不允許因螺栓原材料本身或者加工過程造成的缺陷導致設備出現(xiàn)受損隱患、影響現(xiàn)場施工人身安全。

3.1 工作時交變載荷的影響

該螺栓位于壓裂泵液力端泵頭體與高壓排出管匯連接處，沿圓周均勻分布，在現(xiàn)場作業(yè)中易萌生裂紋，在工作應力及壓裂車作業(yè)時臺上振動等交變載荷的共同影響下，螺栓既承受軸向的拉伸應力，又承受徑向的剪切應力，此時螺栓表面或內(nèi)部存在的缺陷處的實際所受應力高于平均應力，在交變載荷的影響下螺栓細微裂紋由外向內(nèi)逐漸擴展，最終導致斷裂失效。當裂紋繼續(xù)擴展至剩余截面無法傳遞工作應力時，產(chǎn)生斷裂，且斷裂位置存在應力集中情況。由圖11（b）可看出，螺栓工作時不管是受外部的交變載荷，還是承受作用于軸向的外部載荷，都會使已得到預緊的螺栓產(chǎn)生交變應力。

3.2 疲勞極限應力副的影響

對于螺栓的疲勞極限，可查閱機械設計手冊螺栓疲勞強度的計算，或者通過試驗的方式得到S-N曲線。當螺栓的應力副小于螺栓的疲勞極限時，在使用過程中將不會發(fā)生疲勞失效。由圖14可知，受結構構成、工作時交變載荷下應力分布的影響，其服役時間有所縮短。

3.3 螺紋牙底形狀的影響

螺栓在服役受力時，螺紋牙底處會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象[10]，其應力值取決于牙底的形狀。螺紋牙底越平滑，應力集中越小，抗疲勞強度越高，反之則越低。如圖17所示，常規(guī)加工成型的螺紋牙底（牙型角為60°）都是平的，其疲勞強度很低。若將螺紋牙底以圓弧過渡，螺栓的疲勞強度便可得到提高。本文中螺栓屬于美制統(tǒng)一螺紋（牙型角為60°），可以設計牙底圓弧半徑不小于0.10825319P，從而降低應力集中，使疲勞強度至少提高20%以上。

圖17 不同牙底的螺紋牙型圖

3.4 加工工藝的影響

由圖6、圖7可見，螺栓裂紋來自搓絲加工過程，并在后期持續(xù)過程中發(fā)生輕微氧化[11]。當剪應力高出材料的剪切強度極限時，金屬材料表面會產(chǎn)生微裂紋，降低了螺紋強度[12]。如圖18所示，采用搓絲滾壓成型的螺紋屬于一種無切削冷加工，在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生切屑，金屬流線連續(xù)且不會被破壞，螺紋的成型質(zhì)量較高且精度準確；而傳統(tǒng)加工工藝采用板牙套絲、機床車削及磨削螺紋或者CNC多刃銑削加工，都會有切屑排出，導致材質(zhì)組織纖維被切斷；再者，機加工切削留下凹凸不平細微的刀痕及振紋等會導致產(chǎn)生應力集中，影響螺栓的正常服役壽命。

圖18 不同加工工藝的螺紋牙型圖

4 預防措施

（1）嚴格遵循螺栓熱處理工藝規(guī)程，防止在熱處理過程中產(chǎn)生硫、磷等有害雜質(zhì)元素，其在晶界上偏聚，導致產(chǎn)生脆性斷裂。同時也要注意螺栓原材料氫質(zhì)量分數(shù)，氫在材料內(nèi)部分布并不均勻，會在材料的微觀缺陷及應力集中處富集[13]。

（2）合理選擇搓絲滾壓加工工藝參數(shù)并提高加工精度等級[14]；對成品表面選取適合目數(shù)的玻璃珠進行噴砂處理，在高應力表面引入壓縮殘余應力，以達到提高疲勞壽命的目的。

（3）螺栓成品驗收采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，掃描螺栓底波無明顯降低、沒有特殊的波幅不超過五分之二屏高，其他部位均無明顯缺陷反射的波幅[15]。

（4）裝配時，嚴格按照設計的942 N·m緊固扭矩對螺栓施加擰緊力矩。避免裝配時出現(xiàn)螺栓緊固或預緊時承受的扭矩超限、裝配工具與螺紋中心軸線不重合或者嚙合面與螺紋中心軸線不垂直、加載扭矩時速度過快等因素，否則會使螺栓拉斷[16]。

（5）螺栓光桿部分的直徑等同于螺栓的螺紋外徑，螺紋收尾與光桿交界處無過渡圓角存在，此部位有較為嚴重的應力集中且受力不均勻，導致出現(xiàn)裂紋、引起斷裂；根據(jù)螺栓的結構并結合其使用中的受力狀況，應通過改進其結構、加工成全螺紋螺栓來消除應力集中現(xiàn)象，如圖19所示。

圖19 全螺紋螺栓

5 結論

壓裂泵液力端排出管匯螺栓原材料和熱處理符合設計要求。螺栓的斷裂失效形式屬于疲勞斷裂，而疲勞起源于螺栓螺紋齒根部表面裂紋及損傷部位。造成螺栓缺陷的原因是搓絲滾壓加工時選擇的加工工藝不恰當，在交變載荷的影響下螺栓細微裂紋由外向內(nèi)不斷擴展，最終導致斷裂失效。

綜合ANSYS Workbench軟件各項分析結果，雙頭螺栓在螺紋與光桿結合處附近容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，采用全螺紋螺栓投入現(xiàn)場使用后，其使用壽命已超過300 h，且仍在服役中。