柱塞式往復注水泵曲軸斷裂失效分析

申昭熙，程建平，仝珂

1.中國石油石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710065）

2.中國石油長慶油田分公司 物資供應處（物資管理部）商檢所 （陜西 西安 710018）

0 引言

2019 年8 月，某油田作業區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座同類型撬裝結構的柱塞式往復注水泵，平時運行2座，每座注水泵設計額定流量750 m3/d。注水站下轄注水井90 余口，實注1 969 m3/d。撬裝結構注水泵系統如圖1所示，注水泵采用螺栓安裝在鋼結構上，再用螺栓與下層鋼結構連接。注水泵曲軸材質為QT900-2，執行標準為GB/T 1348—2009《球墨鑄鐵件》[1]。由于曲軸質量不足2 000 kg，曲軸生產廠家依據標準規定采用了單鑄試樣方法來檢測曲軸材料強度、布氏硬度和金相組織，檢測結果符合標準要求。于2019 年9 月對失效曲軸一側斷口進行檢測，分析斷裂失效原因。

根據現場提供的資料，撬裝式注水泵運行中存在如下問題：①振動嚴重，連接螺栓頻繁松動；②注水泵運行時伴有嚴重的敲擊聲；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振動監測表明注水泵振動超標，不滿足相關規范要求；⑤注水泵的潤滑油泵固定基座和電機軸流風機固定支架斷裂。

圖1 撬裝結構注水泵系統及與鋼結構連接

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，斷口在整個曲軸上的位置如圖2（c）所示。斷口較為平齊，無明顯塑性變形，部分區域由于碰撞而呈現金屬光澤。斷口擴展區有2 種形貌，斷口中間區域粗糙顏色較深，其他區域相對平整顏色較淺。裂紋起源于連桿軸頸到曲柄的過渡圓弧尾部，如圖2（a）圈中所示，此處為應力集中區[2-4]。從斷口整體形貌可看出，裂紋萌生后呈圓弧狀擴展，最后強度不足，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顯微鏡對試樣進行微觀形貌觀察。在裂紋源區，斷口為沿晶斷裂，如圖3所示。裂紋擴展區有被壓平的痕跡，顯示為疲勞載荷作用，如圖4（a）所示。顏色較深的擴展區組織不均勻，微觀下看到很少石墨球，如圖4（b）、圖5（a）和圖5（b）所示。從顏色較淺擴展區可看到石墨球相對分布均勻，如圖4（c）和圖5（c）所示。

圖2 曲軸斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源區沿晶斷裂

3 金相分析

在斷口上取樣進行金相分析，結果見表1。金相分析結果顯示，裂紋源區和斷口擴展區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不符合GB/T 1348—2009[1]對QT900-2材質的要求。

4 力學性能分析

4.1 拉伸試驗

在失效曲軸上取樣進行拉伸試驗，結果見表2。結果顯示，材料的抗拉強度和伸長率不符合標準GB/T 1348—2009 對QT900-2材質的要求。

圖4 斷口擴展區電子顯微鏡微觀形貌

圖5 斷口擴展區金相光學顯微鏡微觀形貌

表1 金相分析結果

圖6 顏色較深的裂紋擴展區金相組織

表2 室溫拉伸性能試驗結果

4.2 夏比沖擊試驗

在失效曲軸上取夏比沖擊試樣進行沖擊試驗，結果見表3。標準GB/T 1348—2009 沒有規定QT-9002A材質鑄件的夏比沖擊功要求。

表3 夏比沖擊試驗結果

4.3 布氏硬度測試

在失效曲軸上取布氏硬度試樣用HBW 10/3000進行布氏硬度檢測，結果見表4。布氏硬度不符合GB/T 1348—2009要求：280～360 HBW。

表4 布氏硬度測試結果

4.4力學分析結果

失效曲軸材料抗拉強度、伸長率和布氏硬度試驗結果不符合GB/T 1348—2009對QT900-2材質的要求，夏比沖擊功很低。研究表明，如不能嚴格執行生產工藝要求，球墨鑄鐵容易出現組織缺陷，降低材料性能[5-8]。球墨鑄鐵曲軸在生產過程中采用單鑄試樣方法進行質量控制，不能保證曲軸本體性能符合標準要求。

5 分析與討論

拉伸試驗結果表明，曲軸本體的抗拉強度和伸長率不符合GB/T 1348—2009對QT900-2材質的要求；夏比沖擊試驗結果表明，曲軸本體材料的沖擊功非常低；布氏硬度試驗結果表明，該曲軸本體布氏硬度不符合GB/T 1348—2009對QT900-2材質的要求；曲軸本體金相分析結果表明，金相組織和石墨球化等級不符合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渡圓弧即將結束處，此處由于幾何尺寸變化，為應力集中區域，容易萌生裂紋[4]。裂紋在曲軸服役過程中（承受疲勞載荷）發生疲勞擴展，導致最終斷裂。

根據以上曲軸材料理化性能檢測結果，結合服役工況，注水泵曲軸斷裂原因如下：

1）材料抗拉強度低。失效曲軸的實測抗拉強度為 453～561 MPa，僅相當于 QT900-2 材質規定抗拉強度的50%～62%。

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

3）疲勞載荷較高。注水泵利用螺栓安裝到2層鋼結構上形成撬裝結構，注水泵的振動導致螺栓松動，振動過程中松動的螺栓使得注水泵與鋼結構連接出現間隙，注水泵振動幅度加大。在運行過程中發生螺栓頻繁松動、多個部件損壞更換和注水泵實測振動嚴重等現象，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應力，還會進一步增加曲軸內部應力集中程度。

5）負載過大。現場資料顯示，注水站每天運行2 座注水泵，實際注水量為1 969 m3/d，超過了1 500 m3/d 的設計額定值，這也是導致早期疲勞失效的一個因素。

6 結論及建議

1）姬28注水站失效注水泵曲軸抗拉強度、伸長率、硬度、金相組織和石墨球化等級不滿足GB/T 1348—2009要求，為鑄造過程中球化及孕育和熱處理工藝執行不嚴所致。

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。曲軸的較低強度、極低的沖擊韌性、材料組織不均勻以及現場出現的嚴重振動是導致該曲軸發生早期疲勞斷裂的主要原因。

3）生產過程中嚴格執行工藝要求，采用曲軸本體取樣方法檢測抗拉強度、伸長率、布氏硬度、夏比沖擊功和金相組織，保證材料力學性能和金相組織符合標準要求，組織分布均勻。

4）優化撬裝注水泵結構與連接設計，降低系統整體振動幅值。

5）注水泵運行負荷不應超過額定值。