三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部的裂紋修復

摘要：文章介紹了2000型壓裂泵車三缸壓裂泵驅動齒輪的工作狀況以及加強筋板根部出現裂紋的形態，分析了產生裂紋的主要因素，通過對齒輪材料化學成分分析，研究其焊接性能，確立合適的預熱溫度，后熱處理方法，選擇合適的焊接材料，制定焊接工藝措施，完成對三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部裂紋的修復。

關鍵詞：三缸壓裂泵驅動齒輪；筋板根部裂紋；焊接修復方法；焊后質量檢驗

中圖分類號：TE934 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0085-03

在對外部市場返回的2000型壓裂泵車進行維護保養過程中，維護人員發現三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部出現裂紋。由于這種全套壓裂裝備都是從美國進口的，更換齒輪的造價非常昂貴，所以選擇對裂紋進行焊接修復。

一、裂紋分析

經分析齒輪的材質為35CrMo鋼，根據這種材質的焊接性能和裂紋出現的特殊部位來制定最優的焊接工藝路線就是研究的目的。在焊接過程中，裂紋是最嚴重的一種工藝缺陷。為提高焊接的工藝質量和焊件的使用壽命，克服焊接裂紋成為焊接技術中急需解決的首要問題。

產生原因：由于三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部焊縫焊接殘余應力集中，而且齒輪在整個工作過程中承受的載荷過大，受力情況復雜，因此很容易會在此處產生脆性裂紋。

高強鋼焊接時產生冷裂紋的三大因素是鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布和拘束應力的大小。而三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部焊縫熱影響區產生裂紋的主要因素是焊縫的拘束應力、工藝順序及坡口形式等

二、焊接修復方法的選擇

經過對三缸壓裂泵驅動齒輪的材質、裂紋產生的部位等方面的綜合分析，我們決定選用手工電弧焊對裂紋進行修復。

（一）35CrMo鋼焊接性分析

鋼材的可焊性主要取決于它的化學成分，鋼中的合金元素含量越高，成分越復雜，對可焊性的影響也越復雜，鋼中加入的合金元素還能促使形成低熔點的物質，這些元素在焊接熱循環的作用下，促使焊縫金屬特別是熱影響區出現各種不利組織，使性能變差并導致裂紋的產生。35CrMo鋼的化學成分見表1：

國際焊接學會（ⅡW）推薦用于反映中、低合金鋼淬硬和冷裂傾向的碳當量計算公式為：

Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15（%）

根據公式可以計算出35CrMo鋼的碳當量為0.70%。根據大量試驗得知：當碳當量≤0.40%時，焊接時無淬硬傾向，可焊性良好；當碳當量在0.40%～0.50%范圍內，淬硬傾向不太明顯，可焊性尚可；當碳當量在0.50%～0.60%范圍內，淬硬傾向逐漸顯著，冷裂紋傾向隨之增加，可焊性稍差；當碳當量≥0.60%時，屬于高淬透性的鋼，冷裂紋傾向更進一步增加，可焊性較差。由此可見，35CrMo鋼的可焊性比較差，易產生冷裂紋。

（二）預熱溫度的選擇

預熱不但能降低冷卻速度，延緩800℃～500℃的冷卻時間而避免馬氏體轉變，還能促使氫的逸出。正確地選擇預熱和加熱溫度，有助于改善焊接接頭的組織性能和應力狀態，降低焊縫和近焊縫區的含氫量，因此預熱是防止冷裂紋最有效的工藝措施。

根據大量的實驗證明：當Ceq<0.45％時，通常不需要預熱；當Ceq=0.45％～0.60％時，需要預熱，預熱溫度為100℃～200℃；當Ceq>0．60％時，需要預熱200℃～370℃。

而35CrMo鋼的Ceq=0.70％，因此需要預熱。為了防止焊接熱影響區裂紋的產生，將施焊部位均勻緩慢加熱到250℃～300℃，保溫1h。由于三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部焊后進行熱處理受到限制，在不進行熱處理的條件下，為減少內應力和改善焊層的性能，預熱溫度可以適當高一些。

（三）后熱溫度的選擇

如果焊后很快冷卻至100℃以下氫來不及逸出便會造成嚴重的延遲裂紋。采用緊急后熱使冷裂紋尚處于潛伏其中，擴散氫就能充分的由焊縫中逸出，并能減少殘余應力和改善組織，對防止延遲裂紋的產生有顯著效果。選用合適的后熱溫度，可適當降低預熱溫度和代替三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部焊接中間所需的熱處理。

焊接后熱可以降低焊縫和焊接接頭冷卻速度，促進氫的逸出，改善焊接接頭性能，降低其硬度。根據碳當量公式計算如下：

Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15

當Ceq<0.35%時，通常不需要后熱；當CE>0.35%時，需要后熱。而35CrMo鋼的Ceq=0.70%，所以需要后熱。堆焊完后應立即進行后熱處理，后熱溫度不應太高，否則會影響三缸壓裂泵驅動齒輪的性能，另外還應避開500℃～700℃，以免產生再熱裂紋。因此，選擇后熱溫度300℃～350℃，保溫1h。

（四）焊接材料的選擇

35CrMo鋼在焊接時，焊縫金屬和母材強度相當時，韌性低于母材。由于含碳量高，熱影響區及焊縫容易形成高碳馬氏體，冷裂紋傾向嚴重，而且冷裂紋對焊接應力及擴散氫含量的敏感性大。由于母材溶入焊縫金屬中的碳和合金元素增加，還可能會產生熱裂紋。如果焊接材料選擇不當，焊接接頭還可能產生微裂紋，這些微裂紋就是焊后使用過程中的“潛在殺手”——延遲裂紋。所以，在整個焊接工藝中，根據母材成分和性能，正確合理地選擇焊接材料對于保證焊接質量是至關重要的。

35CrMo鋼是中碳調質鋼，其焊接材料的選擇應遵循以下基本原則：

（1）應該選用低碳合金系統的焊接材料并嚴格控制其S、P等雜質的含量，以減少各類裂紋的產

生率。

（2）應選用低氫或或超低氫焊接材料，這對淬硬性極高的鋼材避免氫致裂紋是絕對必要的。

（3）為防止過熱區的脆化和冷裂紋的產生，焊后也不再進行調質熱處理，所以應該盡量選擇焊接材料的合金系統與母材的合金系統一致。

鑒于以上所述，我們選擇直徑為φ3.2的J606低氫鉀型藥皮的低合金高強度鋼焊條。J606焊條用于焊接中碳鋼及相應強度的低合金高強度鋼結構。可以交直流兩用，可以進行全位置焊接。交流施焊時，在性能穩定方面，稍次于直流焊接。

（五）焊接設備的選擇

為了避免冷裂紋的產生和減少熱影響區的軟化，焊接方法應該選用熱量愈集中，能量密度愈大的方法愈有利，而且焊接線能量愈小愈好。結合現有設備和焊工情況，以及待焊區的位置，決定采用手工電弧焊。焊接設備選用直流弧焊機ZX5-400D，且采用熔化速度快，母材溫升小，焊接電流、電弧電壓穩定的直流反接法焊接，保證焊接過程穩定。

（六）工藝措施

首先把三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部原來的焊層用銑床銑掉，并加工出雙單邊V型坡口。

圖2坡口形式

1．清除坡口附近的鐵銹、油污、水分等雜質。

2．焊條，預熱至350℃烘焙1小時，在100℃溫度下保溫，隨烘隨用。直流反接。

3．制作專用磨具，用木炭均勻加熱，將施焊部位均勻緩慢加熱到250℃～300℃，適度掌握焊接

速度。

4．多道焊，對稱焊。

5．采用石灰保溫300℃～350℃，將焊口全部覆蓋達到保溫緩冷作用。

三、焊后質量檢驗

（一）外部缺陷的觀察

焊接接頭的外部缺陷一般用肉眼就能觀察到，主要有焊瘤、咬邊、凹坑、燒傷、余高不足或過大、錯邊及弧坑處理不良等。經觀察沒有這些缺陷。

（二）內部缺陷檢驗

焊接接頭的內部缺陷必須借助儀器設備測試才能判斷出的缺陷，主要有未熔合、未焊透、氣孔、夾渣及白點等。內部缺陷因肉眼觀察不到，危害更大，必須堅決杜絕。經X射線探傷，沒有發現缺陷。

四、結論

通過分析三缸壓裂泵驅動齒輪的工作狀況、裂紋產生的位置和形態，并結合其材質等各方面因素，采用了補焊的方法對三缸壓裂泵驅動齒輪加強筋板根部的裂紋進行了修復，成功焊補了三缸壓裂泵驅動齒輪三套。三臺壓裂車組現已重新開始工作，一年來在鄂爾多斯外部市場工作狀況良好，提高了設備的使

用率。

作者簡介：吳小超（1976-），女，中國石化集團勝利石油管理局井下作業公司工程師，研究方向：機械、鉆桿焊接、設備維修等。

（責任編輯：趙秀娟）