柱塞式往復注水泵曲軸斷裂分析與優化措施

朱傳智，趙君普，朱浩波，宋 健

（渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業泵制造廠，天津 300280）

0 引言

柱塞式往復注水泵是油田開發的常用設備，由多種零部件組成，其中曲軸具有強制潤滑降溫作用。隨著近年來強化機型研發及生產，各類失效事故時有發生，作為一種突發性事件，泵失效前往往無先兆，難以預測發現，不僅降低了安全系數，而且會造成一定的損失與危害[1]。因此，掌握柱塞式往復注水泵曲軸斷裂失效的原因，并采取措施進行優化處理尤為迫切。通過宏觀、微觀、金相分析及力學性能試驗，對泵曲軸失效原因進行探討，并提出優化對策。

1 問題

某油田作業區注水站于2020年11月正式投入使用，共有4臺撬裝結構柱塞式往復注水泵（圖1），日常有2臺處于運行狀態，額定流量760 m3/d。該注水站下轄90口注水井，實際注水流量為1950 m3/d。注水泵經螺栓安裝于鋼結構，并連接下層鋼結構，曲軸材質為球墨鑄鐵，符合相關執行標準。采用單鑄試樣的方法對曲軸的材料強度、金相組織等進行檢測，檢測結果與標準相符。檢測曲軸失效側斷口，發現主要存在如下問題：①存在明顯的振動，螺栓有松動跡象；②注水泵工作時有敲擊聲；③盤根與柱塞損壞、更換頻繁；④注水泵振動超標，不符合要求；⑤油泵固定基座、電機軸流風機支架斷裂。

圖1 撬裝結構柱塞式往復注水泵

2 曲軸斷裂失效分析

2.1 曲軸斷口宏觀與微觀分析

（1）宏觀分析。失效曲軸斷口較為平齊，未出現明顯的塑性變形，僅有小部分區域出現碰撞，有金屬光澤感。端口擴展區呈現出兩種形貌，中間顏色深且較為粗糙，其他區域較為平整，顏色淺。自連桿軸頸至曲柄出現明顯的裂紋，裂紋萌生后呈圓弧擴展，由于強度不足，最終出現斷裂[2]。

（2）微觀分析。在斷口位置取樣，處理后在電子顯微鏡與金相光學顯微鏡下對斷口微觀形貌進行觀察。可以發現裂紋源區的斷口屬于沿晶斷裂，裂紋擴展區域有明顯的壓平跡象，考慮是疲勞載荷的結果[3]。在顏色較深區域發現擴展區域石墨球較少呈不均勻分布狀態，顏色較淺區域的石墨球呈均勻分布狀態（圖2）。

圖2 石墨球呈均勻分布

2.2 曲軸斷口金相分析

首先在斷口取樣，經過取樣分析，可以發現在裂紋源區與斷口擴展區域石墨球化呈現出明顯的不均勻分布狀態，珠光體作為曲軸材料的金相組織，其中的鐵素體呈不均勻分布。根據金相檢驗結果（表1）判斷失效曲軸的石墨球化等級及金相組織均與材質要求的標準不符。

表1 曲軸斷口金相分析結果

3 力學性能分析

3.1 拉伸試驗

選擇失效曲軸取樣進行拉伸試驗。分別在1/4半徑與1/2半徑處中心位置取樣，檢測其抗拉強度分別為560 MPa、455 MPa、450 MPa，屈服強度分別為440 MPa、400 MPa、401 MPa，中心位置伸長率1.0%。GB/T 1348—2016要求材質抗拉強度應達到900 MPa，伸長率應在2%以上，試驗結果顯示其抗拉強度、伸長率均與GB/T 1348—2016的材質要求不符。

3.2 沖擊試驗

分別在失效曲軸距離1/4半徑與1/2半徑處中心位置取樣，規格10 mm×10 mm×55 mm，溫度均為21℃，做沖擊試驗，吸收能量均為3 J。在GB/T 1348—2016中尚未對材質鑄件作出明確的規定[4]。

3.3 布氏硬度測試

在失效曲軸上取樣做布氏硬度測試（HBW/10/3000），測試結果未能達到GB/T 1348—2016的要求（表2）。

表2 布氏硬度測試結果HBW/10/3000

3.4 力學性能分析

失效曲軸的抗拉強度、伸長率及布氏硬度等性能測試結果與GB/T 1348—2016標準均不符合，且夏比沖擊功能處于較低狀態。若無法嚴格按照工藝與流程執行各項生產，將會導致球墨鑄鐵存在明顯的缺陷，導致材料性能達不到要求。在生產過程中，通常利用單鑄試樣的方法實現對球墨鑄鐵曲軸質量的控制，但該方法難以確保曲軸性能完全符合要求。

4 曲軸斷裂失效原因與優化策略

4.1 曲軸斷裂失效原因分析

作為柱塞式往復注水泵的組成部件之一，曲軸直接影響著水泵的性能和使用壽命。由于曲軸在大負荷下工作，扭矩和轉矩的作用不斷變化，所以易出現彎曲疲勞斷裂、軸頸磨損等故障。本研究通過拉伸試驗發現曲軸本體材料抗拉強度及伸長率均達不到要求；夏比沖擊試驗反映出曲軸本體材料存在較低的沖擊功；通過布氏硬度測試發現其硬度達不到材料要求[5]。宏觀形貌分析顯示曲軸斷口呈現出明顯的脆性疲勞特征，裂紋自曲軸連桿軸頸位置開始直至曲柄連接位置，呈現出較大的幾何尺寸變化，該位置是應力集中部位，極易產生裂紋。曲軸服役期間，隨著疲勞載荷的增加，在應力集中部位產生裂紋，裂紋不斷擴展引起斷裂。根據上述現象，可以將曲軸斷裂失效原因總結如下：

（1）材料抗拉強度低。失效曲軸抗拉強度測試值為450～560 MPa，是材料抗拉強度標準要求的50%～62%。

（2）材料韌性不足。夏比沖擊功試驗結果顯示材料脆性高，且伸長率低，與同等抗拉強度牌號球墨鑄鐵相比，抗疲勞強度低。

（3）疲勞載荷高。注水泵通常是由螺栓固定在兩層鋼結構上，大多數是撬裝結構，當注水泵運行時，螺栓會發生松動，導致注水泵與鋼結構之間產生較大的間隙，增加了注水泵振動幅度。當注水泵處于正常工作狀態，螺栓會出現松動，甚至多個部件發生損壞，注水泵出現嚴重振動，提示曲軸存在較高的疲勞載荷。

斷裂分析：①曲軸修理時采用的焊接工藝是堆焊[6]，這一過程破壞了曲軸的動力平衡，如果修復后沒有進行其他的平衡檢查，不平衡的測量就會超出標準，造成發動機的劇烈振動，導致曲軸斷裂；②曲軸機油在長期使用后容易變質，或因嚴重超載、超負荷運轉等原因，造成發動機長期超負荷運轉而引起燒瓦事故。引擎燒毀，曲軸磨損嚴重，斷裂。

（4）曲軸斷口裂紋源區球化石墨不足。球化石墨呈現出集中分布的特點，但在組織分布方面存在明顯的不均勻現象。研究發現，不均勻的組織會在一定程度上導致內應力的增加，使得曲軸內部應力在某一位置集中，導致斷裂的發生。另外，加工質量也會對曲軸斷裂失效產生一定的影響。材料力學認為曲軸受到力作用的影響，截面變化會使得工件局部應力分布情況出現明顯的變化，過渡圓弧往往是曲軸應力曲線高密度分布位置，應力較為集中，甚至超過了材料應力極限，出現裂紋。粗糙度也是導致疲勞裂紋產生的主要因素，會加速疲勞裂紋形成。

（5）負載過大。該注水站每天僅有2臺注水泵投入使用，但注水量1950 m3/d，與額定值的1500 m3/d相比超出較多，超負荷運轉也是疲勞失效的主要因素。

4.2 優化策略

（1）提升曲軸疲勞強度。曲柄圓角位置是其最薄弱的位置，同時是應力集中部位，85%以上曲軸斷裂失效都發生在該部位。

改進措施：①在加工磨削環節，應將圓角打磨圓滑，過渡自然流暢，確保粗糙度與標準相符，減輕該位置應力集中效應，提高曲軸疲勞強度；②在加工技術方面，可以針對曲軸油孔孔口、內表面進行工藝優化，選擇專用的成型工具對油孔進行加工，研磨拋光操作時避免損傷孔口[7]；③要保持孔口橢圓長軸與最大應力方向平行，該操作能夠提升曲軸疲勞強度。

（2）優化曲軸加工工藝。為獲得良好的金相組織，防止曲軸出現過熱的現象，在鍛造后應采用正火處理，對晶粒進行細化，將鍛造粗大組織徹底消除，防止曲軸過熱。針對已經出現的曲軸過熱或力學性能較低的情況，通過返工淬火緩解。返工淬火工藝：先對曲軸作正火處理以獲得平衡組織，然后調整為正常溫度進行淬火，該操作不僅能改善材料金相組織，而且能夠對奧氏體晶粒起到細化作用。

（3）加強力學性能檢測。應對曲軸本體取樣，對其抗拉強度、伸長率及布氏硬度等進行檢測，掌握其夏比沖擊功與金相組織性能，使得材料力學性能能夠滿足標準要求，使組織呈現均勻分布。同時，對撬裝注水泵連接結構進行優化，以減輕振動幅值。另外，注水泵在運行狀態下，應控制其負荷不得超過額定值。

5 結語

通過對某油田作業區柱塞式往復注水泵曲軸斷裂現象的分析，經過宏觀、微觀整體分析與力學性能試驗，總結曲軸斷裂失效的原因，并提出了優化策略，確保其能夠達到標準要求，預防曲軸斷裂失效問題的發生，保證油田作業的安全性與連續性。