摘 要:LN3-2-6X井直线电机抽油机导向轮轴在使用过程中发生断裂。采用宏观观察、无损检 测、力学性能测试、化学成分分析及金相检验等方法对该导向轮轴的断裂原因进行了分析。结果表 明:该导向轮轴在服役过程中承受交变载荷,从而发生疲劳断裂。裂纹起源于轮轴外表面与腹板焊 接处,轮轴材料力学性能不合格、材料组织出现异常以及腹板焊接质量差对裂纹扩展起到了一定的 促进作用。

关键词:45钢;导向轮轴;疲劳断裂;魏氏组织;焊接缺陷

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)05-0016-06

某油田 LN3-2-6X井直线电机抽油机导向轮轴 在使用过程中发生断裂[1-3]。该抽油机导向轮轴先 发生断裂,皮带从导向轮的轮体滑脱至轮轴中间,导 致皮带橡胶层及钢丝绳磨断,最后光杆断裂,断裂导 向轮宏观形貌如图1a)所示。

该抽油机设备型号为 ZXCY22-8-60,设备编号 为2010103,抽油机导向轮轴之间用6条腹板进行 焊接加强。现对导向轮轴断裂处取样进行试验,已 将 试 样 腹 板 切 除,试 样 材 料 为 45 钢,直 径 为 150mm,长度约为 260 mm,制造标准执行 GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》,导向轮轴送检试样 宏观形貌如图1b)所示,通过宏观观察、金相检验、 力学性能测试、化学成分分析、无损检测等方法综合 分析了该导向轮轴的断裂原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

腹板与导向轮轴之间断口的宏观形貌如图2a) 所示,可见断口较为平齐,整体无明显塑性变形,且 呈暗黑色,部分区域由于磨损而呈现金属光泽。在 试 样断口心部可见粗糙断面,呈明显脆性断裂特征[见图2b)]。将轮轴外表面的6条加强腹板分别编 号为1 # ~6 # ,其分布如图2a)所示,其中 1 # ,2 # , 5 # ,6 # 腹板断口损伤严重,未见腹板原始断裂形貌, 3 # ,4 # 腹板断口颜色发黑,呈贝纹线特征,贝纹线圆 心位于腹板与导向轮轴焊缝的焊趾处,同时,在裂纹 扩展区靠近外表面侧也可见垂直于贝纹线的疲劳台 阶分布,如图2c),2d)所示。

1.2 无损检测

将该轮轴试样外表面防腐漆去除,依据 ASTM E709 - 2015 Standard Guide for Magnetic ParticleTesting 标准对试样外表面进行磁粉检测。 由检测结果可知:在1 # 腹板与导向轮轴外表面之间 焊缝处发现1条长度为23mm 的裂纹,如图3a)所 示;在2 # 腹板与导向轮轴外表面之间焊缝处发现 4条裂纹,长度分别为35,30,20,10 mm,如图3b) 所示;在3 # 腹板与导向轮轴之间焊缝处发现1条长 度为10mm 的裂纹,如图3c)所示;4 # ,5 # ,6 # 腹板导向轮轴焊缝处未发现裂纹。

为了检测裂纹的深度,将图3b)所示的2 # 腹板 与导向轮轴外表面之间焊缝处的裂纹IV 采用线切 割方法进行取样,发现该裂纹向焊缝根部扩展且已 穿透该试样,2 # 腹板与导向轮轴外表面之间焊缝处 裂纹IV 宏观形貌如图4所示。同时沿导向轮轴横 截面将整个断口切下,发现在5 # 腹板与导向轮轴外 表面之间焊缝处有1个水平长度约为3 mm 的孔 洞,如图5a)所示,且在3 # 腹板与导向轮轴外表面 之间焊缝处存在咬边缺陷,如图5b)所示。

1.3 金相检验

分别对导向轮轴心部、2 # 腹板与导向轮轴外表 面之间焊缝处和5 # 腹板与导向轮轴外表面焊缝处 进行取样,依据 GB/T13298—2015《金属显微组织 检验方法》、GB/T6394—2017 《金属平均晶粒度测 定方法》及 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物 含量的测 定 标 准 评 级 图 显 微 检 验 法》,采 用 OLS 4100型激光共聚焦显微镜、MeF3A 型光学显微镜对其显微组织、晶粒度及非金属夹杂物进行分析。

导向轮轴心部的显微组织为铁素体+珠光体+ 少量魏氏组织铁素体,导向轮轴心部显微组织形貌 如图6所示,20%(面积分数,下同)区域晶粒度为 4.0级,80%区域晶粒度为6.0级,非金属夹杂物等 级为 A1.0,B0.5和 D0.5。

2 # 腹板与导向轮轴外表面之间角焊缝处发现 3条较长裂纹,其中1条为磁粉检测发现的贯穿裂 纹,该裂纹右侧有较多 D 类非金属夹杂物,2 # 腹板 与导向轮轴之间焊缝处裂纹微观形貌如图7所示。 该焊缝的显微组织为晶内针状铁素体+粒状贝氏体 +多变铁素体+珠光体+魏氏组织铁素体,2 # 腹板 与导向轮轴之间焊缝微观形貌如图8所示,其热影 响区的显微组织为珠光体+网状铁素体+马氏体+ 上贝氏体+魏氏组织铁素体,2 # 腹板与导向轮轴之 间焊缝热影响区微观形貌如图9所示。此焊缝试样 经腐蚀后,焊缝与基体之间横截面处有较大孔洞,孔 洞两端裂纹内有灰色非金属物质,2 # 腹板与基体之 间焊缝横截面处腐蚀后微观形貌如图10所示。5 # 腹板与导向轮轴外表面之间焊缝处轮轴边缘(距边 缘约1mm 范围内)的显微组织为珠光体+铁素体, 5 # 腹板与导向轮轴之间焊缝处轮轴边缘微观形貌 如图11所示。

该导向轮轴心部材料的显微组织除了铁素体和 珠光体外,还有少量的魏氏体,同时显微组织晶粒较 粗;2 # 腹板与导向轮轴之间焊缝 处 除 了 穿 透 裂 纹 外,还有2条较长的裂纹,且裂纹附近分布着较多 D 类非金属夹杂物,裂纹处的焊缝存在的魏氏体、马氏 体等组织会降低焊缝力学性能;2 # 腹板与基体之间 焊缝横截面处存在明显孔洞,孔洞两端可见裂纹萌 生,裂纹内有非金属物质,但5 # 腹板与导向轮轴焊 缝处,即导 向 轮 轴 的 外 表 面 边 缘 显 微 组 织 为 铁 素 体+珠光体。

1.4 力学性能测试

1.4.1 拉伸试验

在导向轮轴基体取圆棒拉伸试样,依据 GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温 试验方法》,采用 UTM5305型万能试验机进行拉伸 试验,试验结果如表1所示。由表1可知,抗拉强度 和断后伸长率符合 GB/T699—2015的要求,而屈 服强度和断面收缩率不 符 合 GB/T699—2015 的 要求。

1.4.2 冲击试验

在导向轮轴基体取样,依据 GB/T229—2020 《金 属 材 料 夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 方 法 》,采 用 PIT752D-2(300J)型摆锤冲击试验机对试样进行冲 击试验,试验结果如表2所示。由表2可知,冲击功 小于 GB/T699—2015要求的下限值,冲击试样断 口呈现完全脆性断裂形貌(见图12)。

1.5 硬度测试

在导向轮轴基体取硬度试样,依据 GB/T231.1— 2018《金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分:试验方 法》,采用 HB300型硬度计进行硬度试验,试验结果 如表3 所 示。可 知 基 体 的 硬 度 符 合 GB/T699— 2015的要求。

1.6 化学成分分析

在导向轮轴基体取样,依据 GB/T4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放 电原子发射光谱法(常规法)》,采用 ARL4460型直 读光谱仪对其化学成分进行分析,结果如表4所示。 由分析结果可知,化学成分符合 GB/T699—2015 的要求。

1.7 断口微观形貌分析

在导向轮轴的3 # 和4 # 腹板断口处取样,经醋 酸+丙酮溶液清洗后,采用扫描电子显微镜(SEM) 对试样进行观察。3 # 腹板断口和4 # 腹板断口的扩 展区均发现了疲劳辉纹特征,如图13,14所示;断口 中部的瞬断区微观形貌呈现解理花样形貌,如图15 所示;对冲击试验后的试样断面进行观察,其微观形 貌为典型解理河流花样,断面具有明显脆性断裂特 征,如图16所示。

2 综合分析

化学成分分析结果表明,该导向轮轴基体化学 成分符合 GB/T699—2015标准对45钢材料的要 求。拉伸性能试验结果表明,该导向轮轴基体抗拉 图15 断口中部瞬断区微观形貌 图16 冲击试样断面微观形貌 强度、断后伸长率均符合 GB/T699—2015标准对 45钢材料的要求,而屈服强度、断面收缩率不符合 GB/T699—2015标准的要求。冲击性能试验结果 表明,该轮轴的冲击功低于 GB/T699—2015标准 对45钢材料要求的下限值,冲击试样断面的微观形 貌呈现典型解理脆性断裂特征。硬度试验结果表 明,该轮轴硬度符合 GB/T699—2015标准对45钢 材料的要求。轮轴材料金相检验结果表明,轮轴外 表面显微组织为铁素体,心部显微组织为铁素体+ 少量魏氏组织,80%区域晶粒度为6.0级,20%区域 晶粒度为4.0 级,表明供货方未按照 GB/T699— 2015标准要求对轮轴材料进行热处理,导致上述力 学性能试验结果不符合标准要求。

首先,从导向轮轴断口的宏观形貌可以看出,断口属典型脆性特征,且断口表面有明显疲劳台阶;结 合腹板断口处表面的微观疲劳辉纹形貌特征可以确 定,该导向轮轴断裂属于典型疲劳断裂,疲劳裂纹起 源于腹板与导向轮轴之间的焊缝处。由导向轮轴的 磁粉检测结果可知,在导向轮轴与腹板之间的焊缝 上发现大量裂纹,这些裂纹在导向轮轴服役时因承 受疲劳载荷发生疲劳扩展,最终导致轮轴发生断裂。

通常,焊接裂纹分为热裂纹和冷裂纹,前者是在 焊接时产生的,后者是在焊缝冷却过程中或冷却后 产生的。冷裂纹一般产生在基体金属或熔合线上, 大多数为纵向裂纹,少数为横向裂纹;热裂纹一般产 生在焊缝的结晶过程中,绝大多数产生在焊缝金属 中,有的是纵向裂纹,有的是横向裂纹。由焊缝的无 损检测结果可以看出,该导向轮轴与加强腹板之间 焊缝上的裂纹属于典型焊接热裂纹。该抽油机在上 冲程、下冲程往复运动时,会将疲劳载荷加载于导向 轮轴上,使得导向轮轴上的焊缝热裂纹发生疲劳扩 展,直至断裂。

此外,导向轮轴断口的心部可见局部粗糙断面, 该区域呈现脆性断裂特征,结合导向轮轴材料的金 相检验和冲击试验结果可知,导向轮轴心部材料显 微组织呈网状分布,局部存在魏氏组织,且晶粒粗 大;导向轮轴的边缘显微组织为均匀分布的等轴铁 素体+珠光体,无魏氏组织。通常情况下,导致材料 出现魏氏组织的原因有两个,即加热温度过高和冷 却速率过快,根据该断裂导向轮轴心部及边缘显微 组织可以确定,锻造过程中加热温度过高是导致魏 氏组织出现的直接原因。魏氏组织脆性大、韧性低, 进一步加速了疲劳裂纹的扩展并使导向轮轴发生 断裂。

综合以上分析可知,该导向轮轴断裂的主要原 因是焊接缺陷,由于导向轮轴与加强腹板之间的焊 缝上存在焊接热裂纹,抽油机在服役过程中产生的 疲劳载荷导致焊接热裂纹成为裂纹源,并不断发生 疲劳扩展;同时,导向轮轴心部材料出现魏氏组织, 使得导向轮轴材料的抗裂纹扩展能力进一步降低, 加速了导向轮轴发生疲劳断裂。

3 结论及建议

(1)LN3-2-6X 井直线电机抽油机导向轮轴的 化学成分、硬度符合 GB/T699—2015的要求;供货 方未按照 GB/T699—2015标准要求对轮轴进行热 处理,导致其力学性能不符合 GB/T699—2015的 要求;显微组织中含有魏氏组织,晶粒粗大;导向轮 轴与腹板之间的焊缝上发现大量裂纹。

(2)该导向轮轴断裂属于多源疲劳断裂,裂纹 起源于轮轴外表面与腹板焊接处,服役过程中因承 受交变载荷而发生断裂。该轮轴材料力学性能不合 格、材料显微组织出现异常以及腹板焊接质量差对 裂纹扩展起到一定的促进作用。

(3)建议对同类导向轮轴进行排查,同时加强 产品的质量监督。

参考文献:

[1] 苏雷什.材料 的 疲 劳 [M].北 京:国 防 工 业 出 版 社, 1993.

[2] 王大伦.轴及紧固件的失效分析[M].北京:机械工业 出版社,1988.

[3] 张栋.机械失效的实用分析[M].北京:国防工业出版 社,1997.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 5期 (pp:16-21)>