直線電機抽油機導向輪軸斷裂的原因

宋成立,2，趙密鋒3，邢 星3，劉新寶2,鄺獻任，劉養勤，叢 深

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077；2.西北大學化工學院，西安 710069；3.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

0 引 言

目前我國大多數油田已進入中后期開采階段，這對抽油機設備提出了更高的性能要求。直線電機抽油機通過將傳統的旋轉式驅動器轉變為直線往復驅動器，簡化了機械傳動過程，相對于常規游梁式抽油機具有更完善的機械性能和運行特性，在石油開采領域占據重要地位[1-2]。然而，直線電機抽油機在工作時，其抽油桿與皮帶連接，并通過導向輪的轉動進行上下往復運動。隨著抽油桿載荷發生周期性變化，導向輪軸需要承受交變載荷，尤其是低產能區塊泵掛深度的增加會使得抽油桿出現超負荷的工作狀態[3-4]，導致抽油機裝置斷裂事故頻發，嚴重影響采油效率，并增加了安全隱患[5]。

西部某油田間歇生產井D在采油作業時，直線電機抽油機導向輪軸發生斷裂，皮帶從導向輪體滑脫至輪軸中間，將皮帶橡膠層及鋼絲繩磨斷，最終導致抽油桿斷裂。該導向輪軸材料為45鋼，直徑為150 mm，按照GB/T 699-2015制造而成，截至失效已服役了六年零兩個月。為了預防此類事故再次發生，作者對該導向輪軸的失效原因進行了分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口宏觀形貌

由圖1可知：失效輪軸斷口較為平齊，呈暗黑色，整體無明顯塑性變形；在斷口心部可見具有明顯脆性斷裂特征的粗糙斷面，為瞬時斷裂區；斷口下部邊緣區域顏色發黑，具有貝紋線特征，貝紋線圓心位于導向輪軸外表面，說明裂紋起源于外表面；同時在靠近外表面側可觀察到垂直于貝紋線的疲勞裂紋擴展臺階,該區域為裂紋擴展區。結合實際工作中抽油桿上沖程、下沖程往復運動使得導向輪軸承受交變載荷的工況，推測導向輪軸發生了疲勞斷裂。

圖1 輪軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of wheel shaft fracture: (a) whole; (b) heart; (c) edge

1.2 宏觀裂紋

輪軸外表面焊接了6條加強腹板，兩者連接方式如圖2所示。檢查發現輪軸裂紋源位于與其中一條腹板的焊接處。采用CJZ-212E型磁粉探傷儀對輪軸外表面及與腹板焊接處進行磁粉檢測，發現與圖1(c)位置對應的腹板角焊縫處存在4條長度分別為35，30，20，10 mm的裂紋(圖3)，其他部位未見缺陷。

圖2 輪軸與腹板連接示意Fig.2 Schematic of connection between wheel shaft and web

1.3 化學成分

采用ARL4460型直讀光譜儀對失效輪軸基體及裂紋源區進行化學成分分析。由表1可知，該失效輪軸各元素含量均符合GB/T 699-2015對45鋼的成分要求。

圖3 腹板角焊縫磁粉檢測后的裂紋形貌Fig.3 Crack morphology of web fillet weld after magneticparticle inspection

表1 失效輪軸的化學成分(質量分數)

1.4 顯微組織

采用Leica MEF4M型光學顯微鏡及圖像分析系統分別對失效輪軸基體及裂紋源區進行顯微組織及夾雜物分析。由圖4可知：輪軸基體組織由鐵素體、珠光體及少量魏氏組織鐵素體組成，晶粒度在4.0～6.0級，非金屬夾雜物等級為A1.0，B0.5，D0.5；裂紋源焊縫區組織由針狀鐵素體、粒狀貝氏體、多邊鐵素體、珠光體及魏氏組織鐵素體組成，熱影響區則主要由珠光體和網狀鐵素體組成，局部存在少量馬氏體、上貝氏體和魏氏組織鐵素體。粗大魏氏組織和高硬馬氏體組織的存在，說明輪軸基體及裂紋源區材料均發生了脆化。

圖4 失效輪軸基體及裂紋源區顯微組織Fig.4 Microstructures of the fractured wheel shaft matrix (a) and crack source area: (b) crack source weld and(c) heat affected zone of crack source

1.5 斷口微觀形貌

在輪軸斷口瞬斷區及裂紋擴展區取樣，經醋酸纖維和丙酮試劑清洗后，采用PHILIPS XL-30型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌。由圖5可以看出，斷口裂紋擴展區存在疲勞輝紋，呈典型疲勞斷裂特征[6]；斷口瞬斷區則呈典型的解理斷裂河流花樣形貌。

1.6 拉伸性能

在失效輪軸基體上截取拉伸試樣，采用UTM5305型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為5 mm·min-1，測3個平行試樣。由表2可知，該失效輪軸的抗拉強度和斷后伸長率均符合GB/T 699-2015對45鋼的要求，但屈服強度和斷面收縮率低于標準值，表明輪軸材料在一定應力作用下裂紋擴展所需能量較小，易發生斷裂。

圖5 輪軸斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the wheel shaft fracture: (a) whole; (b) crack propagation zone and (c) final fracture zone

表2 輪軸基體的室溫拉伸性能

1.7 沖擊性能

采用PIT752D-2(300 J)型擺錘沖擊試驗機對失效輪軸基體試樣進行沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為0，20 ℃。在20 ℃下的3次沖擊功測試結果分別為11.5，10.0，10.5 J，0 ℃下的分別為7.5，6.5，5.0 J，遠低于標準要求(不小于39 J)。由圖6可以看出，輪軸沖擊試樣斷口均呈現完全脆性斷裂特征，放大后可觀察到典型解理河流花樣，說明其脆性較大，沖擊性能差。

2 輪軸斷裂原因分析

由上述理化檢驗結果可知，該失效導向輪軸材料的化學成分、抗拉強度、斷后伸長率均符合GB/T 699-2015的要求，屈服強度、斷面收縮率、沖擊功則低于標準要求。下面從材料和工況兩方面對該導向輪軸斷裂原因進行具體分析。

圖6 不同溫度下輪軸基體沖擊試樣的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of impact specimens of the wheel shaft matrix at different temperatures:(a) 0 ℃, macromorphology;(b) 20 ℃, macromorphology; (c) 20 ℃, local amplification

2.1 材料分析

該失效輪軸材料發生明顯脆化：組織中存在粗大魏氏體組織；沖擊功遠低于標準值，且沖擊斷口呈完全脆斷形貌。可以推測這是由于熱處理操作不當所致。當熱處理溫度過高或冷卻速度過快時，先共析鐵素體或滲碳體從奧氏體晶界上沿一定晶面向晶內生長，就會形成脆性大、韌性低的魏氏體組織。導向輪軸與腹板焊縫處也含有魏氏體和馬氏體等脆性組織，焊接質量較差，加之焊接熱應力的影響，裂紋極易在該處萌生并擴展[6-7]。

2.2 工況分析

直線電機抽油機在上沖程、下沖程往復運動時，導向輪軸反復承受交變載荷，其表面一旦萌生裂紋則極易發生擴展而形成疲勞臺階分布，導致輪軸疲勞斷裂。

3 結論及建議

(1) 該失效導向輪軸組織中存在脆性較大的魏氏體和馬氏體組織，其與腹板焊接處受焊接熱應力影響極易萌生裂紋，在抽油機往復運動產生的交變載荷作用下，裂紋不斷擴展，最終導致導向輪軸發生疲勞斷裂。

(2) 建議嚴格控制導向輪軸的熱處理溫度和冷卻速度，可通過中間退火或多次高溫回火來避免魏氏體組織的產生；優化導向輪軸與腹板組配焊接工藝并加強焊后檢測，以提高焊接質量，避免產生有害組織，降低殘余應力；加強抽油機裝置中輪軸產品的質量監督，提高出廠檢驗頻次，以防止此類事故的再次發生。