柱塞式往復(fù)注水泵曲軸斷裂分析與優(yōu)化措施

朱傳智，趙君普，朱浩波，宋 健

（渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

柱塞式往復(fù)注水泵是油田開發(fā)的常用設(shè)備，由多種零部件組成，其中曲軸具有強(qiáng)制潤滑降溫作用。隨著近年來強(qiáng)化機(jī)型研發(fā)及生產(chǎn)，各類失效事故時有發(fā)生，作為一種突發(fā)性事件，泵失效前往往無先兆，難以預(yù)測發(fā)現(xiàn)，不僅降低了安全系數(shù)，而且會造成一定的損失與危害[1]。因此，掌握柱塞式往復(fù)注水泵曲軸斷裂失效的原因，并采取措施進(jìn)行優(yōu)化處理尤為迫切。通過宏觀、微觀、金相分析及力學(xué)性能試驗(yàn)，對泵曲軸失效原因進(jìn)行探討，并提出優(yōu)化對策。

1 問題

某油田作業(yè)區(qū)注水站于2020年11月正式投入使用，共有4臺撬裝結(jié)構(gòu)柱塞式往復(fù)注水泵（圖1），日常有2臺處于運(yùn)行狀態(tài)，額定流量760 m3/d。該注水站下轄90口注水井，實(shí)際注水流量為1950 m3/d。注水泵經(jīng)螺栓安裝于鋼結(jié)構(gòu)，并連接下層鋼結(jié)構(gòu)，曲軸材質(zhì)為球墨鑄鐵，符合相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。采用單鑄試樣的方法對曲軸的材料強(qiáng)度、金相組織等進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)相符。檢測曲軸失效側(cè)斷口，發(fā)現(xiàn)主要存在如下問題：①存在明顯的振動，螺栓有松動跡象；②注水泵工作時有敲擊聲；③盤根與柱塞損壞、更換頻繁；④注水泵振動超標(biāo)，不符合要求；⑤油泵固定基座、電機(jī)軸流風(fēng)機(jī)支架斷裂。

圖1 撬裝結(jié)構(gòu)柱塞式往復(fù)注水泵

2 曲軸斷裂失效分析

2.1 曲軸斷口宏觀與微觀分析

（1）宏觀分析。失效曲軸斷口較為平齊，未出現(xiàn)明顯的塑性變形，僅有小部分區(qū)域出現(xiàn)碰撞，有金屬光澤感。端口擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)出兩種形貌，中間顏色深且較為粗糙，其他區(qū)域較為平整，顏色淺。自連桿軸頸至曲柄出現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋萌生后呈圓弧擴(kuò)展，由于強(qiáng)度不足，最終出現(xiàn)斷裂[2]。

（2）微觀分析。在斷口位置取樣，處理后在電子顯微鏡與金相光學(xué)顯微鏡下對斷口微觀形貌進(jìn)行觀察?？梢园l(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)的斷口屬于沿晶斷裂，裂紋擴(kuò)展區(qū)域有明顯的壓平跡象，考慮是疲勞載荷的結(jié)果[3]。在顏色較深區(qū)域發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展區(qū)域石墨球較少呈不均勻分布狀態(tài)，顏色較淺區(qū)域的石墨球呈均勻分布狀態(tài)（圖2）。

圖2 石墨球呈均勻分布

2.2 曲軸斷口金相分析

首先在斷口取樣，經(jīng)過取樣分析，可以發(fā)現(xiàn)在裂紋源區(qū)與斷口擴(kuò)展區(qū)域石墨球化呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布狀態(tài)，珠光體作為曲軸材料的金相組織，其中的鐵素體呈不均勻分布。根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果（表1）判斷失效曲軸的石墨球化等級及金相組織均與材質(zhì)要求的標(biāo)準(zhǔn)不符。

表1 曲軸斷口金相分析結(jié)果

3 力學(xué)性能分析

3.1 拉伸試驗(yàn)

選擇失效曲軸取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。分別在1/4半徑與1/2半徑處中心位置取樣，檢測其抗拉強(qiáng)度分別為560 MPa、455 MPa、450 MPa，屈服強(qiáng)度分別為440 MPa、400 MPa、401 MPa，中心位置伸長率1.0%。GB/T 1348—2016要求材質(zhì)抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到900 MPa，伸長率應(yīng)在2%以上，試驗(yàn)結(jié)果顯示其抗拉強(qiáng)度、伸長率均與GB/T 1348—2016的材質(zhì)要求不符。

3.2 沖擊試驗(yàn)

分別在失效曲軸距離1/4半徑與1/2半徑處中心位置取樣，規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，溫度均為21℃，做沖擊試驗(yàn)，吸收能量均為3 J。在GB/T 1348—2016中尚未對材質(zhì)鑄件作出明確的規(guī)定[4]。

3.3 布氏硬度測試

在失效曲軸上取樣做布氏硬度測試（HBW/10/3000），測試結(jié)果未能達(dá)到GB/T 1348—2016的要求（表2）。

表2 布氏硬度測試結(jié)果HBW/10/3000

3.4 力學(xué)性能分析

失效曲軸的抗拉強(qiáng)度、伸長率及布氏硬度等性能測試結(jié)果與GB/T 1348—2016標(biāo)準(zhǔn)均不符合，且夏比沖擊功能處于較低狀態(tài)。若無法嚴(yán)格按照工藝與流程執(zhí)行各項(xiàng)生產(chǎn)，將會導(dǎo)致球墨鑄鐵存在明顯的缺陷，導(dǎo)致材料性能達(dá)不到要求。在生產(chǎn)過程中，通常利用單鑄試樣的方法實(shí)現(xiàn)對球墨鑄鐵曲軸質(zhì)量的控制，但該方法難以確保曲軸性能完全符合要求。

4 曲軸斷裂失效原因與優(yōu)化策略

4.1 曲軸斷裂失效原因分析

作為柱塞式往復(fù)注水泵的組成部件之一，曲軸直接影響著水泵的性能和使用壽命。由于曲軸在大負(fù)荷下工作，扭矩和轉(zhuǎn)矩的作用不斷變化，所以易出現(xiàn)彎曲疲勞斷裂、軸頸磨損等故障。本研究通過拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)曲軸本體材料抗拉強(qiáng)度及伸長率均達(dá)不到要求；夏比沖擊試驗(yàn)反映出曲軸本體材料存在較低的沖擊功；通過布氏硬度測試發(fā)現(xiàn)其硬度達(dá)不到材料要求[5]。宏觀形貌分析顯示曲軸斷口呈現(xiàn)出明顯的脆性疲勞特征，裂紋自曲軸連桿軸頸位置開始直至曲柄連接位置，呈現(xiàn)出較大的幾何尺寸變化，該位置是應(yīng)力集中部位，極易產(chǎn)生裂紋。曲軸服役期間，隨著疲勞載荷的增加，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展引起斷裂。根據(jù)上述現(xiàn)象，可以將曲軸斷裂失效原因總結(jié)如下：

（1）材料抗拉強(qiáng)度低。失效曲軸抗拉強(qiáng)度測試值為450～560 MPa，是材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求的50%～62%。

（2）材料韌性不足。夏比沖擊功試驗(yàn)結(jié)果顯示材料脆性高，且伸長率低，與同等抗拉強(qiáng)度牌號球墨鑄鐵相比，抗疲勞強(qiáng)度低。

（3）疲勞載荷高。注水泵通常是由螺栓固定在兩層鋼結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)是撬裝結(jié)構(gòu)，當(dāng)注水泵運(yùn)行時，螺栓會發(fā)生松動，導(dǎo)致注水泵與鋼結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生較大的間隙，增加了注水泵振動幅度。當(dāng)注水泵處于正常工作狀態(tài)，螺栓會出現(xiàn)松動，甚至多個部件發(fā)生損壞，注水泵出現(xiàn)嚴(yán)重振動，提示曲軸存在較高的疲勞載荷。

斷裂分析：①曲軸修理時采用的焊接工藝是堆焊[6]，這一過程破壞了曲軸的動力平衡，如果修復(fù)后沒有進(jìn)行其他的平衡檢查，不平衡的測量就會超出標(biāo)準(zhǔn)，造成發(fā)動機(jī)的劇烈振動，導(dǎo)致曲軸斷裂；②曲軸機(jī)油在長期使用后容易變質(zhì)，或因嚴(yán)重超載、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等原因，造成發(fā)動機(jī)長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而引起燒瓦事故。引擎燒毀，曲軸磨損嚴(yán)重，斷裂。

（4）曲軸斷口裂紋源區(qū)球化石墨不足。球化石墨呈現(xiàn)出集中分布的特點(diǎn)，但在組織分布方面存在明顯的不均勻現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，不均勻的組織會在一定程度上導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的增加，使得曲軸內(nèi)部應(yīng)力在某一位置集中，導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。另外，加工質(zhì)量也會對曲軸斷裂失效產(chǎn)生一定的影響。材料力學(xué)認(rèn)為曲軸受到力作用的影響，截面變化會使得工件局部應(yīng)力分布情況出現(xiàn)明顯的變化，過渡圓弧往往是曲軸應(yīng)力曲線高密度分布位置，應(yīng)力較為集中，甚至超過了材料應(yīng)力極限，出現(xiàn)裂紋。粗糙度也是導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生的主要因素，會加速疲勞裂紋形成。

（5）負(fù)載過大。該注水站每天僅有2臺注水泵投入使用，但注水量1950 m3/d，與額定值的1500 m3/d相比超出較多，超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)也是疲勞失效的主要因素。

4.2 優(yōu)化策略

（1）提升曲軸疲勞強(qiáng)度。曲柄圓角位置是其最薄弱的位置，同時是應(yīng)力集中部位，85%以上曲軸斷裂失效都發(fā)生在該部位。

改進(jìn)措施：①在加工磨削環(huán)節(jié)，應(yīng)將圓角打磨圓滑，過渡自然流暢，確保粗糙度與標(biāo)準(zhǔn)相符，減輕該位置應(yīng)力集中效應(yīng)，提高曲軸疲勞強(qiáng)度；②在加工技術(shù)方面，可以針對曲軸油孔孔口、內(nèi)表面進(jìn)行工藝優(yōu)化，選擇專用的成型工具對油孔進(jìn)行加工，研磨拋光操作時避免損傷孔口[7]；③要保持孔口橢圓長軸與最大應(yīng)力方向平行，該操作能夠提升曲軸疲勞強(qiáng)度。

（2）優(yōu)化曲軸加工工藝。為獲得良好的金相組織，防止曲軸出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，在鍛造后應(yīng)采用正火處理，對晶粒進(jìn)行細(xì)化，將鍛造粗大組織徹底消除，防止曲軸過熱。針對已經(jīng)出現(xiàn)的曲軸過熱或力學(xué)性能較低的情況，通過返工淬火緩解。返工淬火工藝：先對曲軸作正火處理以獲得平衡組織，然后調(diào)整為正常溫度進(jìn)行淬火，該操作不僅能改善材料金相組織，而且能夠?qū)W氏體晶粒起到細(xì)化作用。

（3）加強(qiáng)力學(xué)性能檢測。應(yīng)對曲軸本體取樣，對其抗拉強(qiáng)度、伸長率及布氏硬度等進(jìn)行檢測，掌握其夏比沖擊功與金相組織性能，使得材料力學(xué)性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，使組織呈現(xiàn)均勻分布。同時，對撬裝注水泵連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減輕振動幅值。另外，注水泵在運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)控制其負(fù)荷不得超過額定值。

5 結(jié)語

通過對某油田作業(yè)區(qū)柱塞式往復(fù)注水泵曲軸斷裂現(xiàn)象的分析，經(jīng)過宏觀、微觀整體分析與力學(xué)性能試驗(yàn)，總結(jié)曲軸斷裂失效的原因，并提出了優(yōu)化策略，確保其能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)防曲軸斷裂失效問題的發(fā)生，保證油田作業(yè)的安全性與連續(xù)性。