高壓管匯公由壬端的失效分析與改進措施

譚愛芳，馮玲

中石化石油工程機械有限公司第四機械廠 湖北荊州 434024

1 序言

高壓管匯作為超大功率成套壓裂裝備的配套件，其作用是將高壓泵排出的高壓壓裂液輸送到井位。高壓管匯主要由各種閥體、直管和活動彎頭組成，零部件相互之間的聯接基本靠零件上的公母由壬端部，高壓管匯的壽命直接決定了油氣開采作業效率和經濟效益。

目前，我國非常規油氣開發要求大排量壓裂施工作業，不僅壓力高，作業時間長，而且排量大，作業工況相當惡劣。因此在油田壓裂施工作業過程中，高壓管匯公由壬端需承受著壓裂泵排出的超高壓、大排量的壓裂液帶來的不規則、多方向的巨大脈沖力。

自2014年我國開啟大型油氣田及煤層氣開發以來，面對如此惡劣的工況，高壓管匯公由壬端在使用過程中失效的情況時有發生，其壽命較常規壓裂施工作業明顯低很多。為此，幾年來我們不斷地進行分析和改進。一方面分析產品失效機理，查找失效原因；另一方面，從材料和力學性能著手，提升產品的綜合力學性能，探究改進措施，優化產品結構，提高產品的破斷抗力，最終延長了產品的使用壽命。

2 公由壬端失效形式

2.1 公由壬端的聯接方式及其失效形式

高壓管匯零部件之間的聯接如圖1所示。幾年來，在頁巖氣開采過程中，產品公由壬端的失效形式如圖2所示。

圖1 高壓管匯公母由壬連接示意

圖2 高壓管匯公由壬端失效形式

2.2 分析與檢測

（1）性能檢測 按相關標準要求，在失效產品上切取縱向試樣，其中拉伸試樣1件，沖擊試樣3件，檢測結果見表1，產品的沖擊性能不滿足設計要求。

表1 產品力學性能

（2）宏觀斷口形貌 裂紋出現在公由壬端結構突變處，沿圖2白線處取下斷口，發現裂紋自臺階處由外往內延伸，失效部位裂紋擴展如圖3所示，斷口形貌如圖4所示。從圖4可見，斷口上有銹蝕，但沒有明顯腐蝕現象，屬于拉壓疲勞斷裂，裂紋萌生源在管壁外部，屬多源疲勞裂紋。

圖3 公由壬端失效部位

圖4 公由壬端失效斷口形貌

（3）微觀組織 裂紋附近金相組織為回火索氏體+粒狀滲碳體，如圖5所示。裂紋源不止一處，外圓弧有多處裂紋源，選取其中之一進行觀察，可看到主要是呈現韌窩狀，表面有氧化現象，如圖6所示。沿著裂紋源往下延伸繼續觀察，可以看到仍然呈現出韌窩狀。繼續往下延伸，可看到沿晶斷裂形貌，表面有明顯氧化，如圖7所示。

圖5 回火索氏體+粒狀滲碳體

圖6 韌窩

圖7 沿晶斷裂

3 理論分析與探究

3.1 材料的力學性能

從材料的力學性能看，產品的沖擊性能不足，而硬度有余。過高的硬度，會讓產品內部極易萌生微裂紋。有研究表明，金屬的疲勞極限與抗拉強度呈近似線性關系[1]，金屬的極限抗拉強度和硬度之間也存在一種關系?？估瓘姸群陀捕仍礁?，金屬構件承受較高的波動載荷時，越容易發生疲勞失效。金屬疲勞機理的普遍解釋是基于位錯理論[2]。理論上講，金屬晶體中的原子排列是不完善的，并且含有許多缺失的原子。缺失的原子會產生間隙，從而造成大量的應力提升。當金屬被加載時，應力升高的間隙通過晶粒剪切并聚集在一起，當足夠的原子間隙聚集在一起時，會萌生微觀裂紋。

另外，金屬結構材料多數為多晶體，晶粒內的滑移是由沿著晶面移動的位錯造成的，這樣就使一個晶粒內出現一個或幾個滑移面。隨著循環載荷作用次數的增加，滑移線不斷增多和變粗，形成滑移帶。繼續循環加載，裂紋沿滑移帶方向擴展，如果載荷增加，則初始裂紋張開。當負載在金屬負載極限附近從最小值波動到最大值，則新的微觀裂紋從第一微裂紋的位置擴展，每個裂紋都成為下一個裂紋的應力提升器。繼續發展，直到剩下的金屬不再承受負載，就會突然失效。

3.2 產品結構及其受力

首先，單純從產品結構上看，公由壬端結構發生突變，并且存在圓弧過渡。通過應力云圖分析受力，公由壬端軸肩根部附近存在應力集中，當屈服強度為930MPa，軸間圓弧為R0.8mm時，公由壬軸肩最大內應力為806.0MPa；同樣的屈服強度，當軸間圓弧為R1.2mm時，公由壬軸肩最大內應力為753.90MPa，應力下降50MPa。如圖8、圖9所示。

圖8 圓弧半徑為R0.8mm時的受力

圓9 圓弧半徑為R1.2mm時的受力

其次，產品配合不當，使產品受力不均，造成應力集中。此應力集中源自以下兩個方面：

1）由圖10和圖11可知，三瓣擋圈的內圓弧φ107mm，產品公由壬端的外圓弧φ103mm，二者配合尺寸不一，也就是擋圈內圓弧與公由壬端的外圓弧的圓弧面不在同一個圓上，當兩者配合在一起時，接觸面積較少，當產品承受巨大的高壓流體多向沖擊力時，公由壬端軸肩受力不均，局部區域承受較高應力。

圖10 三瓣擋圈

圖11 產品公由壬端

2）當高壓流體流過時，一方面由于橡膠密封圈的緩沖，公由壬端面會產生微量的位移；另一方面，擋圈和翼型螺母對公由壬軸肩的固定約束，迫使來自壓裂泵中不均勻的流量波動瞬時全部作用于公由壬端臺階處，極易造成應力集中。

4 改進措施

4.1 優化材料

選擇優良的抗疲勞材料，這是決定零件具有優良疲勞抗力的重要因素。為此在選材方面，除了盡量提高材料純凈度，細化晶粒及選擇最佳的組織狀態外，還要注重強度、塑性和韌性的合理匹配。采用強韌性更好的材料，提高材料的綜合力學性能。Ni或Mo能有效地提高材料的強韌性及疲勞極限[3]。這是因為，合金元素在鋼中的作用主要是通過提高鋼的淬透性和細化晶粒、改善鋼的強韌性來影響疲勞強度的。

提高原材料的純凈度，降低夾雜物的含量，以達到改善產品力學性能的目的，為了提高材料沖擊韌度，我們降低了材料中的含碳量，從而達到降低應力腐蝕破裂的敏感性。在低合金鋼中增添Ni元素，不但細化組織，而且當Ni溶于奧氏體和鐵素體時能強化組織，穩定奧氏體，降低相變溫度，增加淬透性，改善鐵素體的低溫韌性，從而降低脆性轉變溫度[4]。

4.2 使金屬流線沿鍛件的輪廓連續分布

合理設計產品的鍛造工藝，良好的鍛造比，可以細化晶粒，改善組織，提高產品力學性能。同時，鍛造流線的分布應貫穿于整個鍛件制造過程中，好的鍛造流線對產品的壽命是至關重要的，鍛件流線分布形態的好壞對鍛件的質量有重要影響，因此應使鍛件流線的主要方向與零件主要受力方向一致，避免金屬流線末端外露。有研究表明，金屬纖維與工作表面平行為最好，與工作表面所呈的角度越大越不好，垂直于工作表面為最差[5]。當工作時的最大正應力與流線方向一致，切應力方向與流線方向垂直，且流線沿零件輪廓分布不被切斷時，能夠明顯提高產口的使用壽命，應盡量保證公由壬臺階處金屬流線的完整性。

4.3 優化產品結構

（1）加大過渡圓弧半徑 應力集中的作用直接與其半徑的大小有關。應力發生位置的半徑越小，產生的應力集中越大，我們將圓弧由原來的R0.8mm更改為R2mm。

（2）減少產品壁厚差 為了更好地提高產品的壽命，我們在加大圓弧角度的同時，增加公由壬端臺階處的壁厚，盡量減小壁厚差；同時，改直角為鈍角，如圖12所示。

圖12 產品公由壬端的結構及過渡圓弧尺寸

（3）增大擋圈與公由壬端的接觸面積 更改擋圈的內徑尺寸，使擋圈內徑尺寸與公由壬端外圓柱尺寸一致，均為φ103mm，保證擋圈內徑及臺階與公由壬端軸肩的契合度，這樣才能盡可能地增大公由壬端的接觸受力面積，避免應力過度集中，如圖13所示。

圖13 擋圈結構及圓弧

4.4 減小過渡圓弧的表面粗糙度值，使加工表面盡可能光滑

為了提高產品的疲勞抗力，用細砂布拋光公由壬端與擋圈的接觸面。為了降低過渡圓弧的表面粗糙度值，先用普通刀具加工R弧，再用豪克能刀具代替原普通刀具精加工一遍，這樣可使R弧表面粗糙度提高3級以上（粗糙度Ra值輕松達到0.2μm以下），工件的表面顯微硬度提高20%以上[6]。這樣不僅在圓弧表面形成一定的壓應力，而且大大提高了變截面R弧處的疲勞抗力。

5 結束語

1）通過合理選材，確保產品強度和韌性的匹配，達到提高疲勞抗力的目的。

2）更新產品制造工藝，采用鍛造的方法，保證產品關鍵受力部位金屬流線的完整性，從而提高產品的疲勞抗力。

3）優化產品結構，降低產品表面粗糙度值，可以大大提高疲勞抗力。