注水泵與輸油泵安全閥彈簧斷裂失效分析

曹海平，顧濤，王晶，呂文成

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安 710018）

0 引言

安全閥是輸油管線上的重要安全部件，其有效性及可靠性直接影響輸油安全[1-3]。長(zhǎng)慶油田技術(shù)監(jiān)測(cè)中心主要從事油田在用安全閥的定期校驗(yàn)工作，2022 年共校驗(yàn)各類(lèi)安全閥21 872 只，校驗(yàn)不合格安全閥713只，其中密封面腐蝕損傷654只，彈簧斷裂18 只，定壓不穩(wěn)及其他原因41 只。密封面腐蝕損傷是安全閥常見(jiàn)的失效形式，彈簧斷裂原因較多，主要是由于疲勞、腐蝕及塑性變形引起[4-5]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，彈簧斷裂的18只安全閥全部集中在螺桿式輸油泵和往復(fù)式注水泵這兩種設(shè)備上。

針對(duì)此現(xiàn)象，為確定彈簧斷裂的深層原因，對(duì)2022 年校驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的輸油泵和注水泵上斷裂的彈簧進(jìn)行了取樣分析，樣品參數(shù)見(jiàn)表1，彈簧斷裂部位如圖1所示。

圖1 斷裂彈簧部位圖

表1 泵和安全閥基本參數(shù)

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 斷口宏觀分析

從圖1可以看出，兩個(gè)彈簧的斷裂處均靠近固定端第2 圈，也就是閥芯部位。圖1（a）中輸油泵彈簧斷裂成兩節(jié)，表面烏黑，保持金屬本色，將彈簧斷口對(duì)接還原后，發(fā)現(xiàn)彈簧間距存在差異，且有錯(cuò)位跡象，目視發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，外表面有磕碰痕跡。圖1（b）中注水泵彈簧斷裂成3節(jié)，表面有輕微銹蝕，可能是水泄漏造成。

從圖2 可看出，兩個(gè)彈簧斷口表面齊整，沒(méi)有明顯塑性變形。斷口端面與橫截面成30°～45°的夾角，斷裂部位從內(nèi)弧面向外弧面呈放射狀擴(kuò)展，至外端撕裂。根據(jù)殘留下的斷口形貌，可判斷斷口有兩種類(lèi)型，一類(lèi)為瞬斷脆性沖擊斷口，另一類(lèi)為疲勞輝紋斷口。

圖2 彈簧斷口形貌

1.2 斷口金相分析

分別截取輸油泵和注水泵斷裂彈簧斷口附近的材料，經(jīng)粗磨、精磨、拋光和用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，置于金相顯微鏡下觀察。彈簧中的夾雜物會(huì)破壞材料的連續(xù)性，尺寸較大的碳化物顆粒會(huì)增加材料的脆性[6]。而其低倍微觀組織如圖3 所示，沒(méi)有晶粒粗大或疏松、偏析、氣泡、夾雜、裂紋等缺陷存在。高倍組織如圖4 所示，金相組織為回火屈氏體，組織均勻并有一定馬氏體位相，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未融溶碳化物或粗大魏氏體組織，說(shuō)明組織為正常金相組織。

圖3 彈簧端面低倍微觀組織

圖4 彈簧端面高倍微觀組織

1.3 斷口材質(zhì)分析

1.3.1 化學(xué)成分分析

分別鉆取輸油泵斷裂彈簧和注水泵斷裂彈簧斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處的材料粉末，混合后進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2 可知，其化學(xué)成分與50CrVA比較相似，硫、磷雜質(zhì)元素含量符合優(yōu)質(zhì)鋼要求（≤0.035%），選用材料也是彈簧的常用材料，說(shuō)明彈簧材料符合要求，不會(huì)對(duì)其斷裂產(chǎn)生不利影響。

表2 彈簧材料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3.2 硬度測(cè)定

對(duì)輸油泵斷裂彈簧和注水泵斷裂彈簧斷面用600MRD-L 洛氏硬度計(jì)測(cè)試，其中輸油泵彈簧斷面的HRC 硬度為46.5、47.2、46.7、48.2、49.3，平均HRC硬度為47.6。注水泵彈簧斷面的HRC 硬度為45.5、46.3、46.9、47.5、48.7，平 均HRC 硬 度 為47.0，在50CrVA彈簧的推薦硬度HRC45～50范圍內(nèi)[8]，說(shuō)明彈簧的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 斷口掃描電鏡分析

使用線切割機(jī)切取輸油泵和注水泵彈簧斷口樣品，用軟毛刷浸蘸甲醛液清洗斷口面，吹干后放入無(wú)水酒精中洗凈吹干，然后進(jìn)行掃描電鏡分析（SEM），如圖5所示。

圖5 彈簧斷口宏觀SEM圖

由圖5 可以看出，紅色框線處存在疲勞貝殼線以及疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。疲勞裂紋源區(qū)平坦，裂紋細(xì)小且擴(kuò)展緩慢；擴(kuò)展區(qū)裂紋呈放射狀發(fā)展,有明顯的放射花樣及人字紋；瞬斷區(qū)粗糙，高倍電鏡下顯示為穿晶瞬斷。斷裂疲勞源位于并圈處，疲勞源區(qū)較小，擴(kuò)展區(qū)較大，具有靜載斷口特點(diǎn)。

斷口低倍、高倍微觀組織分析，如圖6 所示，微觀組織分析存在明暗相間的條狀花樣，即存在疲勞輝紋，符合疲勞斷裂的斷口微觀形貌特征[9-12]，基本可以確認(rèn)彈簧失效為疲勞斷裂。

圖6 彈簧斷口微觀形貌SEM圖

1.5 斷口能譜分析

為確定輸油泵和注水泵安全閥彈簧斷口表面腐蝕產(chǎn)物，對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析（EDS）。將斷口用酒精和丙酮超聲清洗20 min，吹干并研磨，保證其顆粒度一致，能譜分析結(jié)果如圖7所示，從圖7可以看出，彈簧斷口表面腐蝕產(chǎn)物由C、Cr、Mn、Fe 等元素組成，主要以Fe 元素為主，輸油泵安全閥彈簧腐蝕產(chǎn)物物相主要為FeCr2O4、Fe2O3，注水泵安全閥彈簧腐蝕產(chǎn)物物相主要為FeCr2O4、Fe3O4，如圖8所示，注水泵彈簧中有氧元素，說(shuō)明介質(zhì)泄漏后彈簧表面存在氧腐蝕，但從彈簧外觀看腐蝕較輕微，并不是斷裂的主要原因，可以排除應(yīng)力腐蝕的可能。

圖7 彈簧斷口能譜分析圖

圖8 彈簧斷口腐蝕產(chǎn)物分析圖

2 斷裂原因分析

2.1 疲勞環(huán)境分析

油田輸油泵和注水泵大多屬于容積式柱塞泵[13]，泵的排出壓力是由管路的阻力決定，只要泵的強(qiáng)度足夠大，可認(rèn)為泵的排出壓力不受限制。如果輸出管路上的排出閥關(guān)閉或部分關(guān)閉、排出管路堵塞，將造成泵超壓運(yùn)行，時(shí)間越長(zhǎng)泵壓越高，導(dǎo)致安全閥瞬時(shí)開(kāi)啟。另外，泵在運(yùn)行過(guò)中流量不穩(wěn)定，壓力波動(dòng)較大，振動(dòng)也大，如果安全閥整定壓力接近泵的工作壓力、運(yùn)輸安裝過(guò)程中由于振動(dòng)導(dǎo)致安全閥整定壓力發(fā)生變化、安全閥泄放過(guò)程中阻力太大等，都將造成安全閥頻繁起跳或顫振，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或調(diào)整，都將使安全閥產(chǎn)生交變載荷。隨著安全閥的反復(fù)開(kāi)啟，在交變應(yīng)力作用下，彈簧發(fā)生疲勞裂紋，隨著安全閥使用時(shí)間的增加，裂紋沿著斷口面擴(kuò)展，形成了貝殼線，最終導(dǎo)致彈簧的失效斷裂。

2.2 彈簧受力分析

安全閥所用彈簧屬于圓柱形螺旋壓縮彈簧,當(dāng)其受到軸向載荷時(shí),彈簧的任意橫截面所受的切應(yīng)力在彈簧內(nèi)側(cè)受力最大,外側(cè)受力最小,因此彈簧的失效大多數(shù)都是從彈簧內(nèi)側(cè)開(kāi)始。當(dāng)彈簧工作時(shí),由于不斷受到介質(zhì)的沖擊載荷和彈簧的彈力作用,彈簧將產(chǎn)生交變應(yīng)力，裂紋萌生后，彈簧內(nèi)側(cè)邊緣處發(fā)生應(yīng)力集中，不僅改變了力的分布狀態(tài)，同時(shí)也改變了裂紋擴(kuò)展方向，裂紋尖端承受拉應(yīng)力，由于交變應(yīng)力的存在促使了彈簧的斷裂。彈簧處于頻繁跳動(dòng)狀態(tài)，介質(zhì)產(chǎn)生較大沖擊速度，彈簧前三圈首先承受沖擊載荷[14]，吸收較多的沖擊能量，又不能迅速有效地將沖擊載荷傳遞給后面的彈簧圈，因而彈簧斷裂最容易在前三圈產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而失效，從圖1中彈簧的斷裂位置也可以看出大多位于第二、三圈。

2.3 運(yùn)行工況分析

對(duì)于容積式柱塞泵，泵在運(yùn)行時(shí)管線內(nèi)液體流量不均勻，壓力波動(dòng)較大。由于泵吸入、排出的間隙性，使液流壓力和速度成周期性變化，造成壓力波在管內(nèi)迅速傳遞，導(dǎo)致進(jìn)出口管線在軸向和徑向產(chǎn)生周期性位移，從而引起進(jìn)出口管線振動(dòng)，安全閥同樣也發(fā)生振動(dòng)，由于壓力的波動(dòng)存在也會(huì)導(dǎo)致安全閥頻繁開(kāi)啟，彈簧將受到交變應(yīng)力。另外，安裝在泵出口管線上的安全閥的彈簧在旋緊狀態(tài)下工作，大大增加了基體的內(nèi)應(yīng)力，使彈簧的內(nèi)應(yīng)力增高[15]。當(dāng)介質(zhì)的壓力大于彈簧的彈力時(shí)，彈簧受到壓縮，安全閥開(kāi)啟。安全閥開(kāi)啟后彈簧所承受的外力隨著介質(zhì)壓力的變化而變化，使彈簧在低周交變應(yīng)力狀態(tài)下工作，這就為彈簧的疲勞失效創(chuàng)造了條件。

3 結(jié)論及建議

綜上所述，注水泵和輸油泵容積周期性變化產(chǎn)生流量脈動(dòng)，造成排量不均衡、壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致安全閥頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉，泄放管處于封閉狀態(tài)，安全閥開(kāi)啟又不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，使彈簧在工作過(guò)程中不斷受交變載荷的作用，長(zhǎng)期使用后產(chǎn)生疲勞，并萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈簧在最薄弱處疲勞斷裂。由此提出如下結(jié)論及建議：

1）注水泵和輸油泵上服役的彈簧A、B 失效形式為疲勞斷裂，疲勞斷裂致使系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的壓力在安全閥內(nèi)產(chǎn)生巨大的瞬間沖擊力，又進(jìn)一步導(dǎo)致彈簧發(fā)生脆性沖擊斷裂。

2）建議在系統(tǒng)條件允許的情況下適當(dāng)提高安全閥的開(kāi)啟壓力，降低泵的振動(dòng)頻次，避免安全閥頻繁起跳。

3）泵在啟停過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，安全閥定期校驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)檢查彈簧的第二、三圈是否存在裂紋類(lèi)缺陷，必要時(shí)對(duì)彈簧進(jìn)行表面探傷，防止安全閥彈簧疲勞失效發(fā)生事故。