直線電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸斷裂的原因

宋成立,2，趙密鋒3，邢 星3，劉新寶2,鄺獻(xiàn)任，劉養(yǎng)勤，叢 深

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077；2.西北大學(xué)化工學(xué)院，西安 710069；3.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

0 引 言

目前我國大多數(shù)油田已進(jìn)入中后期開采階段，這對抽油機(jī)設(shè)備提出了更高的性能要求。直線電機(jī)抽油機(jī)通過將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)驅(qū)動(dòng)器，簡化了機(jī)械傳動(dòng)過程，相對于常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有更完善的機(jī)械性能和運(yùn)行特性，在石油開采領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1-2]。然而，直線電機(jī)抽油機(jī)在工作時(shí)，其抽油桿與皮帶連接，并通過導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著抽油桿載荷發(fā)生周期性變化，導(dǎo)向輪軸需要承受交變載荷，尤其是低產(chǎn)能區(qū)塊泵掛深度的增加會(huì)使得抽油桿出現(xiàn)超負(fù)荷的工作狀態(tài)[3-4]，導(dǎo)致抽油機(jī)裝置斷裂事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響采油效率，并增加了安全隱患[5]。

西部某油田間歇生產(chǎn)井D在采油作業(yè)時(shí)，直線電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸發(fā)生斷裂，皮帶從導(dǎo)向輪體滑脫至輪軸中間，將皮帶橡膠層及鋼絲繩磨斷，最終導(dǎo)致抽油桿斷裂。該導(dǎo)向輪軸材料為45鋼，直徑為150 mm，按照GB/T 699-2015制造而成，截至失效已服役了六年零兩個(gè)月。為了預(yù)防此類事故再次發(fā)生，作者對該導(dǎo)向輪軸的失效原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口宏觀形貌

由圖1可知：失效輪軸斷口較為平齊，呈暗黑色，整體無明顯塑性變形；在斷口心部可見具有明顯脆性斷裂特征的粗糙斷面，為瞬時(shí)斷裂區(qū)；斷口下部邊緣區(qū)域顏色發(fā)黑，具有貝紋線特征，貝紋線圓心位于導(dǎo)向輪軸外表面，說明裂紋起源于外表面；同時(shí)在靠近外表面?zhèn)瓤捎^察到垂直于貝紋線的疲勞裂紋擴(kuò)展臺(tái)階,該區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)。結(jié)合實(shí)際工作中抽油桿上沖程、下沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得導(dǎo)向輪軸承受交變載荷的工況，推測導(dǎo)向輪軸發(fā)生了疲勞斷裂。

圖1 輪軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of wheel shaft fracture: (a) whole; (b) heart; (c) edge

1.2 宏觀裂紋

輪軸外表面焊接了6條加強(qiáng)腹板，兩者連接方式如圖2所示。檢查發(fā)現(xiàn)輪軸裂紋源位于與其中一條腹板的焊接處。采用CJZ-212E型磁粉探傷儀對輪軸外表面及與腹板焊接處進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)與圖1(c)位置對應(yīng)的腹板角焊縫處存在4條長度分別為35，30，20，10 mm的裂紋(圖3)，其他部位未見缺陷。

圖2 輪軸與腹板連接示意Fig.2 Schematic of connection between wheel shaft and web

1.3 化學(xué)成分

采用ARL4460型直讀光譜儀對失效輪軸基體及裂紋源區(qū)進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知，該失效輪軸各元素含量均符合GB/T 699-2015對45鋼的成分要求。

圖3 腹板角焊縫磁粉檢測后的裂紋形貌Fig.3 Crack morphology of web fillet weld after magneticparticle inspection

表1 失效輪軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 顯微組織

采用Leica MEF4M型光學(xué)顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)分別對失效輪軸基體及裂紋源區(qū)進(jìn)行顯微組織及夾雜物分析。由圖4可知：輪軸基體組織由鐵素體、珠光體及少量魏氏組織鐵素體組成，晶粒度在4.0～6.0級，非金屬夾雜物等級為A1.0，B0.5，D0.5；裂紋源焊縫區(qū)組織由針狀鐵素體、粒狀貝氏體、多邊鐵素體、珠光體及魏氏組織鐵素體組成，熱影響區(qū)則主要由珠光體和網(wǎng)狀鐵素體組成，局部存在少量馬氏體、上貝氏體和魏氏組織鐵素體。粗大魏氏組織和高硬馬氏體組織的存在，說明輪軸基體及裂紋源區(qū)材料均發(fā)生了脆化。

圖4 失效輪軸基體及裂紋源區(qū)顯微組織Fig.4 Microstructures of the fractured wheel shaft matrix (a) and crack source area: (b) crack source weld and(c) heat affected zone of crack source

1.5 斷口微觀形貌

在輪軸斷口瞬斷區(qū)及裂紋擴(kuò)展區(qū)取樣，經(jīng)醋酸纖維和丙酮試劑清洗后，采用PHILIPS XL-30型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌。由圖5可以看出，斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋，呈典型疲勞斷裂特征[6]；斷口瞬斷區(qū)則呈典型的解理斷裂河流花樣形貌。

1.6 拉伸性能

在失效輪軸基體上截取拉伸試樣，采用UTM5305型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1，測3個(gè)平行試樣。由表2可知，該失效輪軸的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合GB/T 699-2015對45鋼的要求，但屈服強(qiáng)度和斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明輪軸材料在一定應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展所需能量較小，易發(fā)生斷裂。

圖5 輪軸斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the wheel shaft fracture: (a) whole; (b) crack propagation zone and (c) final fracture zone

表2 輪軸基體的室溫拉伸性能

1.7 沖擊性能

采用PIT752D-2(300 J)型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對失效輪軸基體試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為0，20 ℃。在20 ℃下的3次沖擊功測試結(jié)果分別為11.5，10.0，10.5 J，0 ℃下的分別為7.5，6.5，5.0 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求(不小于39 J)。由圖6可以看出，輪軸沖擊試樣斷口均呈現(xiàn)完全脆性斷裂特征，放大后可觀察到典型解理河流花樣，說明其脆性較大，沖擊性能差。

2 輪軸斷裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該失效導(dǎo)向輪軸材料的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均符合GB/T 699-2015的要求，屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、沖擊功則低于標(biāo)準(zhǔn)要求。下面從材料和工況兩方面對該導(dǎo)向輪軸斷裂原因進(jìn)行具體分析。

圖6 不同溫度下輪軸基體沖擊試樣的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of impact specimens of the wheel shaft matrix at different temperatures:(a) 0 ℃, macromorphology;(b) 20 ℃, macromorphology; (c) 20 ℃, local amplification

2.1 材料分析

該失效輪軸材料發(fā)生明顯脆化：組織中存在粗大魏氏體組織；沖擊功遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，且沖擊斷口呈完全脆斷形貌?？梢酝茰y這是由于熱處理操作不當(dāng)所致。當(dāng)熱處理溫度過高或冷卻速度過快時(shí)，先共析鐵素體或滲碳體從奧氏體晶界上沿一定晶面向晶內(nèi)生長，就會(huì)形成脆性大、韌性低的魏氏體組織。導(dǎo)向輪軸與腹板焊縫處也含有魏氏體和馬氏體等脆性組織，焊接質(zhì)量較差，加之焊接熱應(yīng)力的影響，裂紋極易在該處萌生并擴(kuò)展[6-7]。

2.2 工況分析

直線電機(jī)抽油機(jī)在上沖程、下沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向輪軸反復(fù)承受交變載荷，其表面一旦萌生裂紋則極易發(fā)生擴(kuò)展而形成疲勞臺(tái)階分布，導(dǎo)致輪軸疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 該失效導(dǎo)向輪軸組織中存在脆性較大的魏氏體和馬氏體組織，其與腹板焊接處受焊接熱應(yīng)力影響極易萌生裂紋，在抽油機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的交變載荷作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致導(dǎo)向輪軸發(fā)生疲勞斷裂。

(2) 建議嚴(yán)格控制導(dǎo)向輪軸的熱處理溫度和冷卻速度，可通過中間退火或多次高溫回火來避免魏氏體組織的產(chǎn)生；優(yōu)化導(dǎo)向輪軸與腹板組配焊接工藝并加強(qiáng)焊后檢測，以提高焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生有害組織，降低殘余應(yīng)力；加強(qiáng)抽油機(jī)裝置中輪軸產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督，提高出廠檢驗(yàn)頻次，以防止此類事故的再次發(fā)生。