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(yè)區(qū)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(tǒng)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(zhì)為QT900-2，執(zhí)行標準為GB/T 1348—2009《球墨鑄鐵件》[1]。由于曲軸質(zhì)量不足2 000 kg，曲軸生產(chǎn)廠家依據(jù)標準規(guī)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(jù)現(xiàn)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(jiān)測表明注水泵振動超標，不滿足相關規(guī)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(tǒng)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(qū)域由于碰撞而呈現(xiàn)金屬光澤。斷口擴展區(qū)有2 種形貌，斷口中間區(qū)域粗糙顏色較深，其他區(qū)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(qū)[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(qū)，斷口為沿晶斷裂，如圖3所示。裂紋擴展區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)和斷口擴展區(qū)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(zhì)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(zhì)的要求。

圖4 斷口擴展區(qū)電子顯微鏡微觀形貌

圖5 斷口擴展區(qū)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(qū)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(guī)定QT-9002A材質(zhì)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(zhì)的要求，夏比沖擊功很低。研究表明，如不能嚴格執(zhí)行生產(chǎn)工藝要求，球墨鑄鐵容易出現(xiàn)組織缺陷，降低材料性能[5-8]。球墨鑄鐵曲軸在生產(chǎn)過程中采用單鑄試樣方法進行質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(qū)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(fā)生疲勞擴展，導致最終斷裂。

根據(jù)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(zhì)規(guī)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(xiàn)間隙，注水泵振動幅度加大。在運行過程中發(fā)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(xiàn)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(qū)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(nèi)應力，還會進一步增加曲軸內(nèi)部應力集中程度。

5）負載過大?，F(xiàn)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(zhí)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(xiàn)場出現(xiàn)的嚴重振動是導致該曲軸發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。

3）生產(chǎn)過程中嚴格執(zhí)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(yōu)化撬裝注水泵結構與連接設計，降低系統(tǒng)整體振動幅值。

5）注水泵運行負荷不應超過額定值。