薛 凱, 柴治昊, 黃巖崗, 李 亮

(1.中國石油長慶油田分公司, 西安 710018；2.中國重型機(jī)械研究院有限公司, 西安 710018； 3.延安嘉盛石油機(jī)械有限責(zé)任公司, 延安 716000)

某油田L(fēng)N3-2-6X井直線電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸在使用過程中發(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。

圖1 斷裂導(dǎo)向輪軸及送檢試樣宏觀形貌

該抽油機(jī)設(shè)備型號為ZXCY22-8-60，設(shè)備編號為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)?，F(xiàn)對導(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150 mm，長度約為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，通過宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試、化學(xué)成分分析、無損檢測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，可見斷口較為平齊，整體無明顯塑性變形，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粗糙斷面，呈明顯脆性斷裂特征[見圖2b)]。將輪軸外表面的6條加強(qiáng)腹板分別編號為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，未見腹板原始斷裂形貌，3#,4#腹板斷口顏色發(fā)黑，呈貝紋線特征，貝紋線圓心位于腹板與導(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)纫部梢姶怪庇谪惣y線的疲勞臺階分布，如圖2c)，2d)所示。

圖2 腹板與導(dǎo)向輪軸之間斷口宏觀形貌

1.2 無損檢測

將該輪軸試樣外表面防腐漆去除，依據(jù)ASTM E709-2015StandardGuideforMagneticParticleTesting標(biāo)準(zhǔn)對試樣外表面進(jìn)行磁粉檢測。由檢測結(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條長度為23 mm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條長度為10 mm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。

圖3 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處磁粉檢測結(jié)果

為了檢測裂紋的深度，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。

圖4 2#腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處裂紋IV宏觀形貌

圖5 腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間焊縫處焊接缺陷

1.3 金相檢驗(yàn)

分別對導(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/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》及GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(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，80%區(qū)域晶粒度為6.0級,非金屬夾雜物等級為A1.0，B0.5和D0.5。

圖6 導(dǎo)向輪軸心部顯微組織形貌

2#腹板與導(dǎo)向輪軸外表面之間角焊縫處發(fā)現(xiàn)3條較長裂紋，其中1條為磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的貫穿裂紋，該裂紋右側(cè)有較多D類非金屬夾雜物，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1 mm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。

圖7 2#腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫處裂紋微觀形貌

圖8 2#腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫微觀形貌

圖9 2#腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫熱影響區(qū)微觀形貌

圖10 2#腹板與基體之間焊縫橫截面處腐蝕后微觀形貌

圖11 5#腹板與導(dǎo)向輪軸之間焊縫處輪軸邊緣微觀形貌

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條較長的裂紋，且裂紋附近分布著較多D類非金屬夾雜物，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)度和斷后伸長率符合GB/T 699—2015的要求，而屈服強(qiáng)度和斷面收縮率不符合GB/T 699—2015的要求。

表1 室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1.4.2 沖擊試驗(yàn)

在導(dǎo)向輪軸基體取樣，依據(jù)GB/T 229—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/T 699—2015要求的下限值，沖擊試樣斷口呈現(xiàn)完全脆性斷裂形貌(見圖12)。

表2 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖12 沖擊試樣斷口宏觀形貌

1.5 硬度測試

在導(dǎo)向輪軸基體取硬度試樣，依據(jù)GB/T 231.1—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?？芍w的硬度符合GB/T 699—2015的要求。

表3 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HBW

1.6 化學(xué)成分分析

在導(dǎo)向輪軸基體取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用ARL 4460型直讀光譜儀對其化學(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/T 699—2015的要求。

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

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。

圖13 3#腹板斷口處的微觀形貌

圖14 4#腹板斷口處的微觀形貌

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

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/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)對45鋼材料的要求。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該導(dǎo)向輪軸基體抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均符合GB/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)對45鋼材料的要求，而屈服強(qiáng)度、斷面收縮率不符合GB/T 699—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/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)對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/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)對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，20%區(qū)域晶粒度為4.0級，表明供貨方未按照GB/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)要求對輪軸材料進(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。由焊縫的無損檢測結(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)，即加熱溫度過高和冷卻速率過快，根據(jù)該斷裂導(dǎo)向輪軸心部及邊緣顯微組織可以確定，鍛造過程中加熱溫度過高是導(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井直線電機(jī)抽油機(jī)導(dǎo)向輪軸的化學(xué)成分、硬度符合GB/T 699—2015的要求；供貨方未按照GB/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)要求對輪軸進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致其力學(xué)性能不符合GB/T 699—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)量差對裂紋擴(kuò)展起到一定的促進(jìn)作用。

(3) 建議對同類導(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。