摘 要:LN3-2-6X井直線(xiàn)電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、無(wú)損檢 測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析及金相檢驗(yàn)等方法對(duì)該導(dǎo)向輪軸的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表 明:該導(dǎo)向輪軸在服役過(guò)程中承受交變載荷,從而發(fā)生疲勞斷裂。裂紋起源于輪軸外表面與腹板焊 接處,輪軸材料力學(xué)性能不合格、材料組織出現(xiàn)異常以及腹板焊接質(zhì)量差對(duì)裂紋擴(kuò)展起到了一定的 促進(jìn)作用。 

關(guān)鍵詞:45鋼;導(dǎo)向輪軸;疲勞斷裂;魏氏組織;焊接缺陷 

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.2                                      文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                   文章編號(hào):1001-4012(2022)05-0016-06

某油田 LN3-2-6X井直線(xiàn)電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸 在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂[1-3]。該抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸先 發(fā)生斷裂,皮帶從導(dǎo)向輪的輪體滑脫至輪軸中間,導(dǎo) 致皮帶橡膠層及鋼絲繩磨斷,最后光桿斷裂,斷裂導(dǎo) 向輪宏觀形貌如圖1a)所示。

該抽油機(jī)設(shè)備型號(hào)為 ZXCY22-8-60,設(shè)備編號(hào) 為2010103,抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸之間用6條腹板進(jìn)行 焊接加強(qiáng)。現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向輪軸斷裂處取樣進(jìn)行試驗(yàn),已 將 試 樣 腹 板 切 除,試 樣 材 料 為 45 鋼,直 徑 為 150mm,長(zhǎng)度約為 260 mm,制造標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》,導(dǎo)向輪軸送檢試樣 宏觀形貌如圖1b)所示,通過(guò)宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、 力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析、無(wú)損檢測(cè)等方法綜合 分析了該導(dǎo)向輪軸的斷裂原因。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

腹板與導(dǎo)向輪軸之間斷口的宏觀形貌如圖2a) 所示,可見(jiàn)斷口較為平齊,整體無(wú)明顯塑性變形,且 呈暗黑色,部分區(qū)域由于磨損而呈現(xiàn)金屬光澤。在 試 樣斷口心部可見(jiàn)粗糙斷面,呈明顯脆性斷裂特征[見(jiàn)圖2b)]。將輪軸外表面的6條加強(qiáng)腹板分別編 號(hào)為1 # ~6 # ,其分布如圖2a)所示,其中 1 # ,2 # , 5 # ,6 # 腹板斷口損傷嚴(yán)重,未見(jiàn)腹板原始斷裂形貌, 3 # ,4 # 腹板斷口顏色發(fā)黑,呈貝紋線(xiàn)特征,貝紋線(xiàn)圓 心位于腹板與導(dǎo)向輪軸焊縫的焊趾處,同時(shí),在裂紋 擴(kuò)展區(qū)靠近外表面?zhèn)纫部梢?jiàn)垂直于貝紋線(xiàn)的疲勞臺(tái) 階分布,如圖2c),2d)所示。

1.2 無(wú)損檢測(cè) 

將該輪軸試樣外表面防腐漆去除,依據(jù) ASTM E709 - 2015 Standard Guide for Magnetic ParticleTesting 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)。 由檢測(cè)結(jié)果可知:在1 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間 焊縫處發(fā)現(xiàn)1條長(zhǎng)度為23mm 的裂紋,如圖3a)所 示;在2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處發(fā)現(xiàn) 4條裂紋,長(zhǎng)度分別為35,30,20,10 mm,如圖3b) 所示;在3 # 腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫處發(fā)現(xiàn)1條長(zhǎng) 度為10mm 的裂紋,如圖3c)所示;4 # ,5 # ,6 # 腹板導(dǎo)向輪軸焊縫處未發(fā)現(xiàn)裂紋。

為了檢測(cè)裂紋的深度,將圖3b)所示的2 # 腹板 與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處的裂紋IV 采用線(xiàn)切 割方法進(jìn)行取樣,發(fā)現(xiàn)該裂紋向焊縫根部擴(kuò)展且已 穿透該試樣,2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處 裂紋IV 宏觀形貌如圖4所示。同時(shí)沿導(dǎo)向輪軸橫 截面將整個(gè)斷口切下,發(fā)現(xiàn)在5 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外 表面之間焊縫處有1個(gè)水平長(zhǎng)度約為3 mm 的孔 洞,如圖5a)所示,且在3 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面 之間焊縫處存在咬邊缺陷,如圖5b)所示。 

1.3 金相檢驗(yàn)

分別對(duì)導(dǎo)向輪軸心部、2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表 面之間焊縫處和5 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面焊縫處 進(jìn)行取樣,依據(jù) GB/T13298—2015《金屬顯微組織 檢驗(yàn)方法》、GB/T6394—2017 《金屬平均晶粒度測(cè) 定方法》及 GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物 含量的測(cè) 定 標(biāo) 準(zhǔn) 評(píng) 級(jí) 圖 顯 微 檢 驗(yàn) 法》,采 用 OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡、MeF3A 型光學(xué)顯微鏡對(duì)其顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物進(jìn)行分析。

導(dǎo)向輪軸心部的顯微組織為鐵素體+珠光體+ 少量魏氏組織鐵素體,導(dǎo)向輪軸心部顯微組織形貌 如圖6所示,20%(面積分?jǐn)?shù),下同)區(qū)域晶粒度為 4.0級(jí),80%區(qū)域晶粒度為6.0級(jí),非金屬夾雜物等 級(jí)為 A1.0,B0.5和 D0.5。

2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間角焊縫處發(fā)現(xiàn) 3條較長(zhǎng)裂紋,其中1條為磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的貫穿裂 紋,該裂紋右側(cè)有較多 D 類(lèi)非金屬夾雜物,2 # 腹板 與導(dǎo)向輪軸之間焊縫處裂紋微觀形貌如圖7所示。 該焊縫的顯微組織為晶內(nèi)針狀鐵素體+粒狀貝氏體 +多變鐵素體+珠光體+魏氏組織鐵素體,2 # 腹板 與導(dǎo)向輪軸之間焊縫微觀形貌如圖8所示,其熱影 響區(qū)的顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+馬氏體+ 上貝氏體+魏氏組織鐵素體,2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸之 間焊縫熱影響區(qū)微觀形貌如圖9所示。此焊縫試樣 經(jīng)腐蝕后,焊縫與基體之間橫截面處有較大孔洞,孔 洞兩端裂紋內(nèi)有灰色非金屬物質(zhì),2 # 腹板與基體之 間焊縫橫截面處腐蝕后微觀形貌如圖10所示。5 # 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處輪軸邊緣(距邊 緣約1mm 范圍內(nèi))的顯微組織為珠光體+鐵素體, 5 # 腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫處輪軸邊緣微觀形貌 如圖11所示。 

該導(dǎo)向輪軸心部材料的顯微組織除了鐵素體和 珠光體外,還有少量的魏氏體,同時(shí)顯微組織晶粒較 粗;2 # 腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫 處 除 了 穿 透 裂 紋 外,還有2條較長(zhǎng)的裂紋,且裂紋附近分布著較多 D 類(lèi)非金屬夾雜物,裂紋處的焊縫存在的魏氏體、馬氏 體等組織會(huì)降低焊縫力學(xué)性能;2 # 腹板與基體之間 焊縫橫截面處存在明顯孔洞,孔洞兩端可見(jiàn)裂紋萌 生,裂紋內(nèi)有非金屬物質(zhì),但5 # 腹板與導(dǎo)向輪軸焊 縫處,即導(dǎo) 向 輪 軸 的 外 表 面 邊 緣 顯 微 組 織 為 鐵 素 體+珠光體。 

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

1.4.1 拉伸試驗(yàn) 

在導(dǎo)向輪軸基體取圓棒拉伸試樣,依據(jù) GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫 試驗(yàn)方法》,采用 UTM5305型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸 試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,抗拉強(qiáng)度 和斷后伸長(zhǎng)率符合 GB/T699—2015的要求,而屈 服強(qiáng)度和斷面收縮率不 符 合 GB/T699—2015 的 要求。

1.4.2 沖擊試驗(yàn) 

在導(dǎo)向輪軸基體取樣,依據(jù) GB/T229—2020 《金 屬 材 料 夏 比 擺 錘 沖 擊 試 驗(yàn) 方 法 》,采 用 PIT752D-2(300J)型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖 擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,沖擊功 小于 GB/T699—2015要求的下限值,沖擊試樣斷 口呈現(xiàn)完全脆性斷裂形貌(見(jiàn)圖12)。

1.5 硬度測(cè)試 

在導(dǎo)向輪軸基體取硬度試樣,依據(jù) GB/T231.1— 2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第 1 部分:試驗(yàn)方 法》,采用 HB300型硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果 如表3 所 示?？?知 基 體 的 硬 度 符 合 GB/T699— 2015的要求。 

1.6 化學(xué)成分分析 

在導(dǎo)向輪軸基體取樣,依據(jù) GB/T4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放 電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,采用 ARL4460型直 讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表4所示。 由分析結(jié)果可知,化學(xué)成分符合 GB/T699—2015 的要求。

1.7 斷口微觀形貌分析 

在導(dǎo)向輪軸的3 # 和4 # 腹板斷口處取樣,經(jīng)醋 酸+丙酮溶液清洗后,采用掃描電子顯微鏡(SEM) 對(duì)試樣進(jìn)行觀察。3 # 腹板斷口和4 # 腹板斷口的擴(kuò) 展區(qū)均發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋特征,如圖13,14所示;斷口 中部的瞬斷區(qū)微觀形貌呈現(xiàn)解理花樣形貌,如圖15 所示;對(duì)沖擊試驗(yàn)后的試樣斷面進(jìn)行觀察,其微觀形 貌為典型解理河流花樣,斷面具有明顯脆性斷裂特 征,如圖16所示。 

2 綜合分析 

化學(xué)成分分析結(jié)果表明,該導(dǎo)向輪軸基體化學(xué) 成分符合 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45鋼材料的要 求。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果表明,該導(dǎo)向輪軸基體抗拉 圖15 斷口中部瞬斷區(qū)微觀形貌 圖16 沖擊試樣斷面微觀形貌 強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 45鋼材料的要求,而屈服強(qiáng)度、斷面收縮率不符合 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)的要求。沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果 表明,該輪軸的沖擊功低于 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)45鋼材料要求的下限值,沖擊試樣斷面的微觀形 貌呈現(xiàn)典型解理脆性斷裂特征。硬度試驗(yàn)結(jié)果表 明,該輪軸硬度符合 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45鋼 材料的要求。輪軸材料金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,輪軸外 表面顯微組織為鐵素體,心部顯微組織為鐵素體+ 少量魏氏組織,80%區(qū)域晶粒度為6.0級(jí),20%區(qū)域 晶粒度為4.0 級(jí),表明供貨方未按照 GB/T699— 2015標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)輪軸材料進(jìn)行熱處理,導(dǎo)致上述力 學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

首先,從導(dǎo)向輪軸斷口的宏觀形貌可以看出,斷口屬典型脆性特征,且斷口表面有明顯疲勞臺(tái)階;結(jié) 合腹板斷口處表面的微觀疲勞輝紋形貌特征可以確 定,該導(dǎo)向輪軸斷裂屬于典型疲勞斷裂,疲勞裂紋起 源于腹板與導(dǎo)向輪軸之間的焊縫處。由導(dǎo)向輪軸的 磁粉檢測(cè)結(jié)果可知,在導(dǎo)向輪軸與腹板之間的焊縫 上發(fā)現(xiàn)大量裂紋,這些裂紋在導(dǎo)向輪軸服役時(shí)因承 受疲勞載荷發(fā)生疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致輪軸發(fā)生斷裂。

通常,焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋,前者是在 焊接時(shí)產(chǎn)生的,后者是在焊縫冷卻過(guò)程中或冷卻后 產(chǎn)生的。冷裂紋一般產(chǎn)生在基體金屬或熔合線(xiàn)上, 大多數(shù)為縱向裂紋,少數(shù)為橫向裂紋;熱裂紋一般產(chǎn) 生在焊縫的結(jié)晶過(guò)程中,絕大多數(shù)產(chǎn)生在焊縫金屬 中,有的是縱向裂紋,有的是橫向裂紋。由焊縫的無(wú) 損檢測(cè)結(jié)果可以看出,該導(dǎo)向輪軸與加強(qiáng)腹板之間 焊縫上的裂紋屬于典型焊接熱裂紋。該抽油機(jī)在上 沖程、下沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)將疲勞載荷加載于導(dǎo)向 輪軸上,使得導(dǎo)向輪軸上的焊縫熱裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò) 展,直至斷裂。

此外,導(dǎo)向輪軸斷口的心部可見(jiàn)局部粗糙斷面, 該區(qū)域呈現(xiàn)脆性斷裂特征,結(jié)合導(dǎo)向輪軸材料的金 相檢驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知,導(dǎo)向輪軸心部材料顯 微組織呈網(wǎng)狀分布,局部存在魏氏組織,且晶粒粗 大;導(dǎo)向輪軸的邊緣顯微組織為均勻分布的等軸鐵 素體+珠光體,無(wú)魏氏組織。通常情況下,導(dǎo)致材料 出現(xiàn)魏氏組織的原因有兩個(gè),即加熱溫度過(guò)高和冷 卻速率過(guò)快,根據(jù)該斷裂導(dǎo)向輪軸心部及邊緣顯微 組織可以確定,鍛造過(guò)程中加熱溫度過(guò)高是導(dǎo)致魏 氏組織出現(xiàn)的直接原因。魏氏組織脆性大、韌性低, 進(jìn)一步加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展并使導(dǎo)向輪軸發(fā)生 斷裂。

綜合以上分析可知,該導(dǎo)向輪軸斷裂的主要原 因是焊接缺陷,由于導(dǎo)向輪軸與加強(qiáng)腹板之間的焊 縫上存在焊接熱裂紋,抽油機(jī)在服役過(guò)程中產(chǎn)生的 疲勞載荷導(dǎo)致焊接熱裂紋成為裂紋源,并不斷發(fā)生 疲勞擴(kuò)展;同時(shí),導(dǎo)向輪軸心部材料出現(xiàn)魏氏組織, 使得導(dǎo)向輪軸材料的抗裂紋擴(kuò)展能力進(jìn)一步降低, 加速了導(dǎo)向輪軸發(fā)生疲勞斷裂。 

3 結(jié)論及建議

(1)LN3-2-6X 井直線(xiàn)電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸的 化學(xué)成分、硬度符合 GB/T699—2015的要求;供貨 方未按照 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)輪軸進(jìn)行熱 處理,導(dǎo)致其力學(xué)性能不符合 GB/T699—2015的 要求;顯微組織中含有魏氏組織,晶粒粗大;導(dǎo)向輪 軸與腹板之間的焊縫上發(fā)現(xiàn)大量裂紋。 

(2)該導(dǎo)向輪軸斷裂屬于多源疲勞斷裂,裂紋 起源于輪軸外表面與腹板焊接處,服役過(guò)程中因承 受交變載荷而發(fā)生斷裂。該輪軸材料力學(xué)性能不合 格、材料顯微組織出現(xiàn)異常以及腹板焊接質(zhì)量差對(duì) 裂紋擴(kuò)展起到一定的促進(jìn)作用。 

(3)建議對(duì)同類(lèi)導(dǎo)向輪軸進(jìn)行排查,同時(shí)加強(qiáng) 產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督。

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<文章來(lái)源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 5期 (pp:16-21)>