樊春明1,2,张增年3,王德贵1,2,徐 虹2,王平怀2

(1.国家油气钻井装备工程技术研究中心,宝鸡 721002;2.宝鸡石油机械有限责任公司,宝鸡 721002; 3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司,成都 610051)

摘 要:某石油钻井绞车在运行过程中链轮传动轴突然断裂,通过断口形貌观察、化学成分分 析、力学性能测试、显微组织观察等方法,研究了链轮传动轴断裂的原因。结果表明:链轮传动轴的 断裂属于早期疲劳失效。裂纹在链轮传动轴?210mm 与?200mm 轴台阶处的粗糙过渡圆角根 部应力集中处萌生,在交变弯扭应力作用下扩展,最终导致链轮传动轴的疲劳断裂;组织中存在的 片状 MnS夹杂物以及心部带状偏析组织促进了疲劳裂纹的扩展。

关键词:链轮传动轴;疲劳断裂;应力集中;MnS夹杂物;带状偏析 中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)01-0109-04

0 引 言

石油钻井装备主要用于野外作业,其工作环境 差、工况复杂[1-5]。在石油钻井过程中,绞车不仅担 负着下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯 筒、试油等各项作业,还担负着井架的起放任务等。 石油绞车传动轴属于石油机械的大型传动部件,其 可靠性对钻井现场的安全施工至关重要。一旦绞车 传动轴出现故障,则会造成停钻或井下事故,给相关 企业带来较大的经济损失[6-7]。2015年某钻井公司 使用的一台新型绞车在交付运行1a后,出现链轮 传动轴断裂事故,使用寿命远低于 20a的设计寿 命。该传动轴断裂部位直径为200 mm,轴材料为 35CrMo钢,其加工工艺为锻造→粗加工→调质热 处理→精加工。为了找到链轮传动轴断裂原因,作 者对其进行了失效分析,并提出改进措施。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

链轮传动轴在输入链轮和换挡齿轮中间台阶位 109 樊春明,等:某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因 置处断裂,具体断裂位置如图1所示。 图1 链轮传动轴断裂位置及该位置的尺寸 Fig 1 Fracturelocationofchainwheeldriveshaft a anddimensionattheposition b 人工分开断口后对链轮传动轴的断口宏观形貌 进行观察。由图2可以看出,链轮传动轴断口位于 ?210mm 与?200mm 轴台阶处的过渡圆角根部。 传 动轴的断裂经历了裂纹萌生、裂纹扩展及最终断 裂3个阶段。裂纹在过渡圆角根部萌生,呈多源特 征,存在棘轮状特征,如图2中箭头 A 所示,说明断 口存在应力集中;裂纹扩展区表面光滑、平整,面积 较大,如图2中箭头 B 所示;最终断裂区形似海滩 条带状,面积较小,如图2中箭头 C 所示,说明断口 应力比较低。综合分析可知,该链轮传动轴发生疲 劳断裂。 图2 链轮传动轴断口宏观形貌 Fig 2 Fracturemacromorphologyofchainwheeldriveshaft a inputsprocketsideand b shiftinggearside

1.2 化学成分

在链轮传动轴断口处取样,采用 ARTUS10型 光谱仪进行化学成分分析。由表1可知,传动轴的 化学成分符合 GB/T3077-2015中35CrMo钢的 成分要求。 表1 失效链轮传动轴的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoffailedchainwheeldriveshaft massfraction % 项目 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu 测试值 0.35 0.18 0.54 0.013 0.016 0.9 0.17 0.29 0.07 标准值 0.32~0.4 0.17~0.37 0.4~0.7 ≤0.035 ≤0.035 0.8~1.1 0.15~0.25 ≤0.3 ≤0.3

1.3 力学性能

在失效链轮传动轴断口附近沿轴向分别截取尺 寸为?12.5 mm×50 mm 的 拉 伸 试 样 和 尺 寸 为 10mm×10mm×55mm 的夏比 V 型缺口冲击试 样。按照 GB/T228-2002,采用门式电子拉力试 验机进行室温拉伸试验,拉伸速度为5mm·min -1; 按照 GB/T229-2007,采用手动摆锤式冲击试验 机进行-40 ℃冲击试验。采用 HB-3000D 型布氏 硬度计对失效链轮传动轴断口附近外圆表面的硬度 表2 失效链轮传动轴的力学性能 Table2 Mechanicalpropertiesoffailedchainwheel driveshaft 项目 抗拉强度/ MPa 屈服强度/ MPa 断后伸长 率/% -40 ℃冲 击功/J 硬度/ HB 测试值 675 555 20 24 229 技术要求值 700 500 17 27 269~302 进行测试,载荷为7.35kN,保载时间为10s,测6个 点取平均值。由表2可知,失效链轮传动轴的抗拉 强度、冲击功和硬度均低于技术要求。 链轮传动轴在使用过程中主要用来传递动力, 承受弯曲和扭转载荷。为了验证传动轴断裂是否由 强度不足引起,参考文献[8-11],按材料屈服强度为 500MPa进行传动轴挤压强度、静强度、刚度(扭转 角)和挠度的计算。由表3可知,该失效链轮传动轴 的强度、刚度和挠度均满足设计要求,因此链轮传动 轴的断裂不是由强度不足引起的。 表3 传动轴强度计算结果 Table3 Calculationofdriveshaftintensity 项目 挤压强度/ MPa 静强度/ MPa 刚度/ (°)·m -1 挠度/ mm 计算值 444.37 112.00 0.07 0.296 许用值 714.29 357.14 0.25~0.50 0.907 110 樊春明,等:某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因

1.4 显微组织

在失效链轮传动轴断口附近的表面及心部分 别取金相试样,打磨、抛光,用体积分数4%的硝酸 酒精溶 液 腐 蚀 后,采 用 AxioObserverA1m 型 光 学 显微镜观 察 显 微 组 织。由 图 3 和 图 4 可 以 看 出: 失效链轮传动轴表面组织为上贝氏体+回火索氏 体,心部组织主要为上贝氏体+铁素体+珠光体, 组织带状分 布 明 显。按 照 GB/T6394-2002,该 钢的晶粒度为7级,属于细晶组织,符合材料晶粒 度的要求。 图3 失效链轮传动轴表面的显微组织 Fig 3 Microstructureoffailedchainwheeldriveshaftsurface a atlowmagnificationand b athighmagnification 图4 失效链轮传动轴心部的显微组织 Fig 4 Microstructureoffailedchainwheeldriveshaftcore a atlowmagnificationand b athighmagnification 1.5 断口微观形貌

采用SZ61-SET型体视显微镜对失效链轮传动 轴断口边缘和过渡圆角处进行观察。由图5可知:断 口边缘加工刀痕较粗,表面粗糙度Ra 在12.5μm 以 上;断裂处的过渡圆角(暗色区域)半径约为1.4mm, 断口(发亮区域)存在多次挤磨痕迹。 图5 失效链轮传动轴断口边缘和过渡圆角处的形貌 Fig 5 Morphologyoffractureedge a andtransitionfillet b offailedchainwheeldriveshaft 在用SS-550型扫描电子显微镜(SEM)观察断 口形貌时发现,原始断口由于前期反复开合挤磨、后 期人为打磨及保护不善已面目全非,观察不到真实 断口形貌,因此对力学性能试验后的拉伸及冲击断 口进行观察。由图6可以看出:拉伸断口存在大量 细小韧窝,冲击断口主要由解理、少量准解理与少量 韧窝组成;在拉伸和冲击断口上均发现偏聚成片的 夹杂物,用SEM附带的能谱仪分析可知,该夹杂物 111 樊春明,等:某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因 图6 链轮传动轴的拉伸和冲击断口微观形貌 Fig 6 Tensile a-b andimpact c-d fracturemicromorphologyofchainwheeldriveshaft a c atlowmagnificationand b d athighmagnification 为 MnS。片状 MnS会导致钢材在塑性和强度方面 表现出明显的各向异性,从而降低钢材的整体性能。 MnS颗粒的尺寸越大,其对性能的影响越恶劣。

2 断裂原因分析

由理化检验结果可知,该链轮传动轴在交变弯 扭应力作用下发生疲劳断裂,其断裂经历了裂纹形 成、裂纹扩展及最终断裂3个阶段,最终断裂区面积 较小,说明最终断裂时传动轴所承受的载荷不大。 链轮传动轴起裂处存在较严重的应力集中,该处应 力集中的形成主要有以下3个方面原因:(1)加工 的过渡圆角半径太小,仅为1.4mm,未达到设计要 求的2mm;(2)传动轴断裂位置的表面粗糙度过 大,Ra 大于12.5μm,未达到设计要求的 1.6μm; (3)通过力学计算,传动轴?210 mm 与?200 mm 轴过渡区轴肩截面变化处位于扭转应力峰值截面。 失效链轮传动轴的抗拉强度、冲击功、硬度均低于技 术要求。通过查阅该传动轴的生产工序记录发现, 该传动轴经粗加工和调质处理后的硬度为270HB, 符合技术要求。由此可知,热处理前预留的加工余 量过大,造成后期精加工后的表面硬度低于技术要 求。失效链轮传动轴组织中存在片状 MnS夹杂物, 且心部带状偏析明显,导致链轮传动轴整体性能较 差,这促进了疲劳裂纹扩展,并最终导致链轮传动轴 的疲劳断裂。

3 结论及措施

(1)链轮传动轴的断裂属于早期疲劳失效。链 轮传动轴的裂纹在?210 mm 与?200 mm 轴台阶 处的粗糙过渡圆角根部应力集中处萌生,在交变弯 扭应力作用下扩展,最终导致链轮传动轴的疲劳断 裂;组织中存在的片状 MnS夹杂物以及心部带状偏 析组织促进了疲劳裂纹的扩展。 (2)为避免同类事故再次发生,需提高链轮传 动轴经粗加 工 和 调 质 处 理 后 的 硬 度,保 证 后 续 工 序完成后 最 终 硬 度 达 到 269~302 HB;轴 径 变 径 区圆角采用 磨 削 成 型,增 大 过 渡 圆 角 半 径 并 降 低 圆角处的表面粗糙度;净化钢材,采用六面锻造成 形工艺彻底 将 枝 晶 打 碎 打 散,弱 化 原 始 形 态 枝 晶 中的带状组织。

来源：材料与测试网