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

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（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]。長慶油田技術監測中心主要從事油田在用安全閥的定期校驗工作，2022 年共校驗各類安全閥21 872 只，校驗不合格安全閥713只，其中密封面腐蝕損傷654只，彈簧斷裂18 只，定壓不穩及其他原因41 只。密封面腐蝕損傷是安全閥常見的失效形式，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]。進一步分析發現，彈簧斷裂的18只安全閥全部集中在螺桿式輸油泵和往復式注水泵這兩種設備上。

針對此現象，為確定彈簧斷裂的深層原因，對2022 年校驗中發現的輸油泵和注水泵上斷裂的彈簧進行了取樣分析，樣品參數見表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

1 檢驗與分析

1.1 斷口宏觀分析

從圖1可以看出，兩個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，表面烏黑，保持金屬本色，將彈簧斷口對接還原后，發現彈簧間距存在差異，且有錯位跡象，目視發現有裂紋存在，外表面有磕碰痕跡。圖1（b）中注水泵彈簧斷裂成3節，表面有輕微銹蝕，可能是水泄漏造成。

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

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。彈簧中的夾雜物會破壞材料的連續性，尺寸較大的碳化物顆粒會增加材料的脆性[6]。而其低倍微觀組織如圖3 所示，沒有晶粒粗大或疏松、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，沒有發現未融溶碳化物或粗大魏氏體組織，說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 斷口材質分析

1.3.1 化學成分分析

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離斷口處的材料粉末，混合后進行化學成分分析，分析結果見表2。根據表2 可知，其化學成分與50CrVA比較相似，硫、磷雜質元素含量符合優質鋼要求（≤0.035%），選用材料也是彈簧的常用材料，說明彈簧材料符合要求，不會對其斷裂產生不利影響。

表2 彈簧材料化學成分分析結果 %

1.3.2 硬度測定

對輸油泵斷裂彈簧和注水泵斷裂彈簧斷面用600MRD-L 洛氏硬度計測試，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[8]，說明彈簧的硬度符合標準。

1.4 斷口掃描電鏡分析

使用線切割機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，吹干后放入無水酒精中洗凈吹干，然后進行掃描電鏡分析（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展區。疲勞裂紋源區平坦，裂紋細小且擴展緩慢；擴展區裂紋呈放射狀發展,有明顯的放射花樣及人字紋；瞬斷區粗糙，高倍電鏡下顯示為穿晶瞬斷。斷裂疲勞源位于并圈處，疲勞源區較小，擴展區較大，具有靜載斷口特點。

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物，對斷口進行能譜分析（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，能譜分析結果如圖7所示，從圖7可以看出，彈簧斷口表面腐蝕產物由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物物相主要為FeCr2O4、Fe2O3，注水泵安全閥彈簧腐蝕產物物相主要為FeCr2O4、Fe3O4，如圖8所示，注水泵彈簧中有氧元素，說明介質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 彈簧斷口腐蝕產物分析圖

2 斷裂原因分析

2.1 疲勞環境分析

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，只要泵的強度足夠大，可認為泵的排出壓力不受限制。如果輸出管路上的排出閥關閉或部分關閉、排出管路堵塞，將造成泵超壓運行，時間越長泵壓越高，導致安全閥瞬時開啟。另外，泵在運行過中流量不穩定，壓力波動較大，振動也大，如果安全閥整定壓力接近泵的工作壓力、運輸安裝過程中由于振動導致安全閥整定壓力發生變化、安全閥泄放過程中阻力太大等，都將造成安全閥頻繁起跳或顫振，如不能及時發現或調整，都將使安全閥產生交變載荷。隨著安全閥的反復開啟，在交變應力作用下，彈簧發生疲勞裂紋，隨著安全閥使用時間的增加，裂紋沿著斷口面擴展，形成了貝殼線，最終導致彈簧的失效斷裂。

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,當其受到軸向載荷時,彈簧的任意橫截面所受的切應力在彈簧內側受力最大,外側受力最小,因此彈簧的失效大多數都是從彈簧內側開始。當彈簧工作時,由于不斷受到介質的沖擊載荷和彈簧的彈力作用,彈簧將產生交變應力，裂紋萌生后，彈簧內側邊緣處發生應力集中，不僅改變了力的分布狀態，同時也改變了裂紋擴展方向，裂紋尖端承受拉應力，由于交變應力的存在促使了彈簧的斷裂。彈簧處于頻繁跳動狀態，介質產生較大沖擊速度，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生塑性變形進而失效，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 運行工況分析

對于容積式柱塞泵，泵在運行時管線內液體流量不均勻，壓力波動較大。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，造成壓力波在管內迅速傳遞，導致進出口管線在軸向和徑向產生周期性位移，從而引起進出口管線振動，安全閥同樣也發生振動，由于壓力的波動存在也會導致安全閥頻繁開啟，彈簧將受到交變應力。另外，安裝在泵出口管線上的安全閥的彈簧在旋緊狀態下工作，大大增加了基體的內應力，使彈簧的內應力增高[15]。當介質的壓力大于彈簧的彈力時，彈簧受到壓縮，安全閥開啟。安全閥開啟后彈簧所承受的外力隨著介質壓力的變化而變化，使彈簧在低周交變應力狀態下工作，這就為彈簧的疲勞失效創造了條件。

3 結論及建議

綜上所述，注水泵和輸油泵容積周期性變化產生流量脈動，造成排量不均衡、壓力不穩定，產生振動，導致安全閥頻繁開啟和關閉，泄放管處于封閉狀態，安全閥開啟又不能及時發現和處理，使彈簧在工作過程中不斷受交變載荷的作用，長期使用后產生疲勞，并萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的進一步擴展，最終導致彈簧在最薄弱處疲勞斷裂。由此提出如下結論及建議：

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，疲勞斷裂致使系統內介質的壓力在安全閥內產生巨大的瞬間沖擊力，又進一步導致彈簧發生脆性沖擊斷裂。

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

3）泵在啟停過程中應嚴格執行操作規程，安全閥定期校驗過程中應重點檢查彈簧的第二、三圈是否存在裂紋類缺陷，必要時對彈簧進行表面探傷，防止安全閥彈簧疲勞失效發生事故。