抽油泵凡爾罩?jǐn)嗔咽Х治?/h1>
2017-04-26 03:40高海軍鄒宗明馬林虎朱全塔郭達(dá)吉
理化檢驗(物理分冊) 2017年4期
高海軍, 鄒宗明, 馬林虎, 朱全塔, 郭達(dá)吉
(1. 國民油井格蘭特鉆具有限公司, 北京 100007; 2. 中國石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司, 成都 610051)
抽油泵凡爾罩?jǐn)嗔咽Х治?/p>
高海軍1, 鄒宗明2, 馬林虎1, 朱全塔1, 郭達(dá)吉1
(1. 國民油井格蘭特鉆具有限公司, 北京 100007; 2. 中國石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司, 成都 610051)
某油田用抽油泵柱塞在服役兩個月內(nèi)即發(fā)生凡爾罩?jǐn)嗔咽В霉鈱W(xué)顯微鏡、掃描電鏡和顯微硬度計等儀器從斷口的宏觀及微觀形貌特征、顯微組織、硬度和化學(xué)成分等方面對其進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該凡爾罩不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和較差的表面加工質(zhì)量導(dǎo)致了表面應(yīng)力的集中和疲勞裂紋源的過早產(chǎn)生；同時大量大尺寸含硅夾雜物冶金缺陷的存在導(dǎo)致了沿晶裂紋的迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致凡爾罩發(fā)生了疲勞斷裂失效。
凡爾罩；失效分析；疲勞；斷裂；結(jié)構(gòu)設(shè)計；表面加工；夾雜物
使用有桿抽油泵采油,是目前各大油田采用的主要采油方式。油田生產(chǎn)中，因抽油泵故障導(dǎo)致停工的現(xiàn)象非常普遍[1]，據(jù)統(tǒng)計基本上可以占到35%以上，而其中由于凡爾罩失效導(dǎo)致的抽油泵故障又占整個抽油泵故障的40%左右[2]。隨著油田生產(chǎn)進(jìn)入高含水中后期，某廠設(shè)計生產(chǎn)了一種大流道抽油泵來提高抽采效率。為了獲得更大的流道，該抽油泵共設(shè)計了3個出油孔。新生產(chǎn)抽油泵在某油田服役不足兩個月，就發(fā)生了兩起凡爾罩突然斷裂事故，導(dǎo)致該兩口油井中斷了正常的采油工作，影響了油井的產(chǎn)量，增加了修井作業(yè)費用。目前凡爾罩的失效分析大多集中在對其工作流程中的各種受力進(jìn)行分析，相關(guān)解決方案多為調(diào)整抽油泵生產(chǎn)工作制度在一定程度上減緩其失效[3-5]。為了找到改進(jìn)該凡爾罩性能的有效途徑，筆者針對其中一個斷裂凡爾罩進(jìn)行失效分析。
1 理化檢驗
1.1 斷口宏觀分析
斷裂失效凡爾罩材料為3Cr13鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度技術(shù)要求為187～241 HV。經(jīng)初步觀察，斷裂位置均位于凡爾罩出油口根部，圖1為凡爾罩?jǐn)嗫诤暧^形貌，圖1(a)為其整體形貌，可見該凡爾罩?jǐn)嗫诳煞譃?個區(qū)，其中第II和第III區(qū)的斷口表面已經(jīng)受到較為嚴(yán)重的磨損，無法用以觀察分析；第I區(qū)斷口基本完好。第I區(qū)斷口放大后的形貌如圖1(b)所示，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂起源于凡爾罩表面應(yīng)力集中的位置1，在裂紋擴(kuò)展過程中，由于4和5處的應(yīng)力集中，一定程度上又加速了最終的斷裂。其中裂紋1為主裂紋，在后期擴(kuò)展過程中分為2和3兩個次裂紋。另外,圖1(b)位置1處的外壁能觀察到機(jī)加工不精細(xì)而留下的一個不平整的加工痕跡；而位置4和5兩處可見結(jié)構(gòu)設(shè)計上的尖角，容易導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
圖1 凡爾罩?jǐn)嗫诤暧^形貌Fig.1 Macro appearance of fracture of the valve cover: (a) entirety appearance; (b) the first section appearance
從I區(qū)斷口外觀看，存在2個明顯不同的區(qū)域，比較光滑的區(qū)域和比較粗糙的區(qū)域，見圖1(b)；從斷口附近的變形情況看，斷裂并沒有經(jīng)由明顯的塑性變形后而發(fā)生，斷口呈光亮的結(jié)晶狀，較為平整，具有明顯的脆性斷裂特征；另外抽油泵工作時，泵內(nèi)壓力交替，使柱塞凡爾球連續(xù)的開啟、關(guān)閉，凡爾罩受到往復(fù)的交變應(yīng)力[6]。以上3點均符合疲勞斷裂特征，由此判斷該凡爾罩?jǐn)嗔研再|(zhì)為疲勞斷裂。
1.2 斷口微觀分析
采用JSM-840型掃描電子顯微鏡(SEM)和VANTAGE(DI4105)型能譜儀(EDS)對斷口的微觀形貌和夾雜物成分進(jìn)行分析。在斷口表面和側(cè)面存在由于機(jī)加工引起的主裂紋源1，明確該斷口為疲勞引起的斷裂，疲勞起源于1處，而2，3處為疲勞擴(kuò)展區(qū)；另外，以裂紋源1為中心，裂紋沿著斷裂面呈放射狀擴(kuò)展，見圖2(a)，在裂紋擴(kuò)展過程中，4和5兩處的應(yīng)力集中則又進(jìn)一步加速了斷裂的發(fā)生。同時在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的沿晶斷裂現(xiàn)象，見圖2(b)。另外，還在斷口上發(fā)現(xiàn)了數(shù)個夾雜物，如圖2(c)中箭頭所指，能譜分析表明其為含硅的夾雜物，見圖2(d)。
圖2 凡爾罩?jǐn)嗫谖⒂^形貌Fig.2 Micro appearance of fracture of the valve cover:(a) crack source appearance; (b) crack propagation zone appearance; (c) inclusion appearance; (d) EDS spectrum of the inclusion
1.3 金相分析
采用蔡司200MAT光學(xué)金相顯微鏡,對凡爾罩?jǐn)嗫诟浇幕w進(jìn)行了整體形貌和從內(nèi)到外3個不同位置的顯微組織分析[7]。首先，在圖3(a)中的基體拋光態(tài)表面上存在較多直徑在數(shù)微米范圍的黑色或者深灰色點狀夾雜物，說明凡爾罩材料純凈度不高。對凡爾罩內(nèi)邊緣、中間部位以及外邊緣的顯微組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，3個部位的顯微組織都是晶粒比較細(xì)小且分布均勻的回火索氏體，見圖3(b)～(d);同時仍然有大量的夾雜物存在，該夾雜物是具有較寬范圍形態(tài)比(不小于3)的單個黑色或深灰色夾雜物，結(jié)合能譜分析結(jié)果認(rèn)為該夾雜物應(yīng)為C類硅酸鹽夾雜物。
圖3 凡爾罩不同位置的拋光態(tài)及顯微組織形貌Fig.3 Polished state and microstructure appearance of the valve cover at different positions:(a) polished state; (b) internal side microstructure; (c) middle microstructure; (d) external side microstructure
1.4 硬度測試
采用MH-6型顯微硬度計在1.96 N載荷作用下對凡爾罩基體從內(nèi)邊緣到外邊緣3個不同部位分別進(jìn)行5點硬度測試，結(jié)果如表1所示。3個部位的顯微硬度平均值分別為229，226，222 HV，完全符合該凡爾罩產(chǎn)品的硬度技術(shù)要求：187～241 HV，而且3個部位的硬度分布都比較均勻。
表1 凡爾罩?jǐn)嗫诟浇挠捕萒ab.1 Hardness of the valve cover near the fracture
1.5 化學(xué)成分分析
對凡爾罩材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。可見該凡爾罩在成分上除硅元素含量外都符合產(chǎn)品技術(shù)要求，說明前述在斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌中發(fā)現(xiàn)的含硅夾雜物是基材自身所帶，由冶金缺陷造成，硅元素在夾雜物處的富集造成了基體其他部位的硅元素含量不足，低于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。黃維剛等[8-9]研究表明：同樣條件下一定范圍內(nèi)鋼材屈服強(qiáng)度隨著硅含量的增加而提高。因此大量的含硅夾雜物會造成基體材料屈服強(qiáng)度有所降低，這主要是由于硅能夠阻止碳的擴(kuò)散，延緩滲碳體的析出與聚集[10]。
表2 凡爾罩?jǐn)嗫诟浇幕瘜W(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the valve cover near the fracture (mass fraction) %
2 分析與討論
抽油泵柱塞在工作時受到交變應(yīng)力的作用，再加上井深的原因，造成柱塞在工作中除受拉壓作用外，還要承受彎曲作用，導(dǎo)致表面的應(yīng)力復(fù)雜。對于凡爾罩而言，由于出油口的存在使得其受力情況更為苛刻，從而對其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)都提出了較高的要求。該斷裂凡爾罩在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上都存在一定的問題[11-12]。在結(jié)構(gòu)上，由于設(shè)計有3個出油孔，導(dǎo)致凡爾罩根部承載能力大大減弱，且在柱塞端凹面邊緣的設(shè)計上過于尖銳，沒有足夠的圓角過渡，造成該處的應(yīng)力過度集中。同時在機(jī)加工過程中，凡爾罩表面加工質(zhì)量較差，留有許多明顯的加工痕跡和局部的劃痕，成為應(yīng)力集中點[13]。正由于該凡爾罩在結(jié)構(gòu)設(shè)計上過于追求流量而忽視了強(qiáng)度需求以及在機(jī)加工過程中比較粗糙，從而導(dǎo)致其表面裂紋源在很短的時間內(nèi)就迅速出現(xiàn)。在材料上，雖然該凡爾罩整體顯微組織細(xì)小且分布均勻，硬度和顯微組織基本符合要求，但是由于冶金缺陷造成的較多大尺寸含硅夾雜物以及斷口中存在的沿晶裂紋，嚴(yán)重影響了材料的疲勞性能，特別是在裂紋源形成及擴(kuò)展過程中起到了極大的促進(jìn)作用，使得表面形成的初始裂紋能夠在擴(kuò)展過程中迅速形成粗大的二次裂紋和沿晶開裂，最終導(dǎo)致凡爾罩整體的疲勞斷裂和柱塞的斷裂失效。
3 結(jié)論及建議
(1) 該凡爾罩?jǐn)嗔研再|(zhì)為疲勞斷裂。
(2) 該凡爾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理和較差的表面加工質(zhì)量導(dǎo)致了其表面多處產(chǎn)生應(yīng)力集中，過早形成疲勞裂紋源；凡爾罩顯微組織和硬度基本符合要求，但由于存在較多大尺寸的含硅夾雜物等冶金缺陷，導(dǎo)致后期裂紋的迅速擴(kuò)展，并在很短時間內(nèi)發(fā)生斷裂失效。
(3) 建議對該凡爾罩加以改進(jìn)以避免其發(fā)生早期斷裂失效，可以從以下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：首先要合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)，并嚴(yán)格控制加工過程和表面加工質(zhì)量；另外，要提高材料的冶金質(zhì)量，避免冶金缺陷的產(chǎn)生。
[1] 閆學(xué)峰,檀朝東,周曉東.國內(nèi)油田抽油泵應(yīng)用工況及失效形式綜述[J].中國石油和化工,2008(18):48-51.
[2] 劉同建.有桿泵游動凡爾罩?jǐn)嗝摍C(jī)理及治理技術(shù)[J].中國科技信息,2008(21):166-167.
[3] 李欣,徐陽.抽油泵防斷上凡爾罩的改進(jìn)及應(yīng)用[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報,2011,24(1):16-17,21.
[4] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5] 傅國如,張崢.失效分析技術(shù)[J].理化檢驗-物理分冊,2005,41(4):212-216.
[6] 陳國權(quán),張立文,李佳珊.減速器管斷裂失效分析[J].失效分析與預(yù)防,2014,9(6):379-382.
[7] 李朋興.金相分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,1982.
[8] 馮繼軍,郭文芳,彭賢鋒.某型發(fā)動機(jī)高壓油泵柱塞套開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(10):693-696.
[9] 黃維剛,方鴻生,鄭燕康.回火溫度對高硅Mn-B系貝氏體鋼強(qiáng)韌性的影響[J].金屬熱處理學(xué)報,1999,20(4):31-34.
[10] 崔崑.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.
[11] 夏書敏,張貞明.3Cr13鋼連桿及銷軸熱處理工藝的改進(jìn)[J].熱加工工藝,2000(3):39-40.
[12] 韓棟,修吉平,李佳玲,等.壓裂泵泵頭體失效分析[J].失效分析與預(yù)防,2012,7(2):126-131.
[13] 滕學(xué)清,呂拴錄,馮春,等.某井114.3 mm油管接箍破裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(5):376-379.
Failure Analysis on Fracture of an Oil-well Pump Valve Cover
GAO Hai-jun1, ZOU Zong-ming2, MA Lin-hu1, ZHU Quan-ta1, GUO Da-ji1
(1. Grant Prideco of National Oilwell Varco, Beijing 100007, China; 2. Chuanxi Drilling Co., CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu 610051, China)
The valve cover of a oil-well pump plunger fractured after use for less than two months in an oil field. The macro and micro fracture appearance characteristic, microstructure, hardness and chemical compositions of the valve cover were analyzed by optical microscope, scanning electron microscope, microhardness tester, etc. The results show that the unreasonable structure design and poor surface machining quality of the valve cover caused its surface stress concentration and premature appearance of fatigue crack source. At the same time, the existence of lots of inclusions containing silicon in the material resulted in rapid propagation of the intergranular cracks, which led to the final fatigue fracture of the valve cover.
valve cover; failure analysis; fatigue; fracture; structure design; surface machining; inclusion
10.11973/lhjy-wl201704013
2016-08-23
高海軍(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事鉆具技術(shù)研究及市場開發(fā)工作，hj_gao@163.com。
TE931
B
1001-4012(2017)04-0284-04
質(zhì)量控制與失敗分析
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凡爾罩；失效分析；疲勞；斷裂；結(jié)構(gòu)設(shè)計；表面加工；夾雜物
使用有桿抽油泵采油,是目前各大油田采用的主要采油方式。油田生產(chǎn)中，因抽油泵故障導(dǎo)致停工的現(xiàn)象非常普遍[1]，據(jù)統(tǒng)計基本上可以占到35%以上，而其中由于凡爾罩失效導(dǎo)致的抽油泵故障又占整個抽油泵故障的40%左右[2]。隨著油田生產(chǎn)進(jìn)入高含水中后期，某廠設(shè)計生產(chǎn)了一種大流道抽油泵來提高抽采效率。為了獲得更大的流道，該抽油泵共設(shè)計了3個出油孔。新生產(chǎn)抽油泵在某油田服役不足兩個月，就發(fā)生了兩起凡爾罩突然斷裂事故，導(dǎo)致該兩口油井中斷了正常的采油工作，影響了油井的產(chǎn)量，增加了修井作業(yè)費用。目前凡爾罩的失效分析大多集中在對其工作流程中的各種受力進(jìn)行分析，相關(guān)解決方案多為調(diào)整抽油泵生產(chǎn)工作制度在一定程度上減緩其失效[3-5]。為了找到改進(jìn)該凡爾罩性能的有效途徑，筆者針對其中一個斷裂凡爾罩進(jìn)行失效分析。
1 理化檢驗
1.1 斷口宏觀分析
斷裂失效凡爾罩材料為3Cr13鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度技術(shù)要求為187～241 HV。經(jīng)初步觀察，斷裂位置均位于凡爾罩出油口根部，圖1為凡爾罩?jǐn)嗫诤暧^形貌，圖1(a)為其整體形貌，可見該凡爾罩?jǐn)嗫诳煞譃?個區(qū)，其中第II和第III區(qū)的斷口表面已經(jīng)受到較為嚴(yán)重的磨損，無法用以觀察分析；第I區(qū)斷口基本完好。第I區(qū)斷口放大后的形貌如圖1(b)所示，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂起源于凡爾罩表面應(yīng)力集中的位置1，在裂紋擴(kuò)展過程中，由于4和5處的應(yīng)力集中，一定程度上又加速了最終的斷裂。其中裂紋1為主裂紋，在后期擴(kuò)展過程中分為2和3兩個次裂紋。另外,圖1(b)位置1處的外壁能觀察到機(jī)加工不精細(xì)而留下的一個不平整的加工痕跡；而位置4和5兩處可見結(jié)構(gòu)設(shè)計上的尖角，容易導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
圖1 凡爾罩?jǐn)嗫诤暧^形貌Fig.1 Macro appearance of fracture of the valve cover: (a) entirety appearance; (b) the first section appearance
從I區(qū)斷口外觀看，存在2個明顯不同的區(qū)域，比較光滑的區(qū)域和比較粗糙的區(qū)域，見圖1(b)；從斷口附近的變形情況看，斷裂并沒有經(jīng)由明顯的塑性變形后而發(fā)生，斷口呈光亮的結(jié)晶狀，較為平整，具有明顯的脆性斷裂特征；另外抽油泵工作時，泵內(nèi)壓力交替，使柱塞凡爾球連續(xù)的開啟、關(guān)閉，凡爾罩受到往復(fù)的交變應(yīng)力[6]。以上3點均符合疲勞斷裂特征，由此判斷該凡爾罩?jǐn)嗔研再|(zhì)為疲勞斷裂。
1.2 斷口微觀分析
采用JSM-840型掃描電子顯微鏡(SEM)和VANTAGE(DI4105)型能譜儀(EDS)對斷口的微觀形貌和夾雜物成分進(jìn)行分析。在斷口表面和側(cè)面存在由于機(jī)加工引起的主裂紋源1，明確該斷口為疲勞引起的斷裂，疲勞起源于1處，而2，3處為疲勞擴(kuò)展區(qū)；另外，以裂紋源1為中心，裂紋沿著斷裂面呈放射狀擴(kuò)展，見圖2(a)，在裂紋擴(kuò)展過程中，4和5兩處的應(yīng)力集中則又進(jìn)一步加速了斷裂的發(fā)生。同時在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的沿晶斷裂現(xiàn)象，見圖2(b)。另外，還在斷口上發(fā)現(xiàn)了數(shù)個夾雜物，如圖2(c)中箭頭所指，能譜分析表明其為含硅的夾雜物，見圖2(d)。
圖2 凡爾罩?jǐn)嗫谖⒂^形貌Fig.2 Micro appearance of fracture of the valve cover:(a) crack source appearance; (b) crack propagation zone appearance; (c) inclusion appearance; (d) EDS spectrum of the inclusion
1.3 金相分析
采用蔡司200MAT光學(xué)金相顯微鏡,對凡爾罩?jǐn)嗫诟浇幕w進(jìn)行了整體形貌和從內(nèi)到外3個不同位置的顯微組織分析[7]。首先，在圖3(a)中的基體拋光態(tài)表面上存在較多直徑在數(shù)微米范圍的黑色或者深灰色點狀夾雜物，說明凡爾罩材料純凈度不高。對凡爾罩內(nèi)邊緣、中間部位以及外邊緣的顯微組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，3個部位的顯微組織都是晶粒比較細(xì)小且分布均勻的回火索氏體，見圖3(b)～(d);同時仍然有大量的夾雜物存在，該夾雜物是具有較寬范圍形態(tài)比(不小于3)的單個黑色或深灰色夾雜物，結(jié)合能譜分析結(jié)果認(rèn)為該夾雜物應(yīng)為C類硅酸鹽夾雜物。
圖3 凡爾罩不同位置的拋光態(tài)及顯微組織形貌Fig.3 Polished state and microstructure appearance of the valve cover at different positions:(a) polished state; (b) internal side microstructure; (c) middle microstructure; (d) external side microstructure
1.4 硬度測試
采用MH-6型顯微硬度計在1.96 N載荷作用下對凡爾罩基體從內(nèi)邊緣到外邊緣3個不同部位分別進(jìn)行5點硬度測試，結(jié)果如表1所示。3個部位的顯微硬度平均值分別為229，226，222 HV，完全符合該凡爾罩產(chǎn)品的硬度技術(shù)要求：187～241 HV，而且3個部位的硬度分布都比較均勻。
表1 凡爾罩?jǐn)嗫诟浇挠捕萒ab.1 Hardness of the valve cover near the fracture
1.5 化學(xué)成分分析
對凡爾罩材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。可見該凡爾罩在成分上除硅元素含量外都符合產(chǎn)品技術(shù)要求，說明前述在斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌中發(fā)現(xiàn)的含硅夾雜物是基材自身所帶，由冶金缺陷造成，硅元素在夾雜物處的富集造成了基體其他部位的硅元素含量不足，低于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。黃維剛等[8-9]研究表明：同樣條件下一定范圍內(nèi)鋼材屈服強(qiáng)度隨著硅含量的增加而提高。因此大量的含硅夾雜物會造成基體材料屈服強(qiáng)度有所降低，這主要是由于硅能夠阻止碳的擴(kuò)散，延緩滲碳體的析出與聚集[10]。
表2 凡爾罩?jǐn)嗫诟浇幕瘜W(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the valve cover near the fracture (mass fraction) %
2 分析與討論
抽油泵柱塞在工作時受到交變應(yīng)力的作用，再加上井深的原因，造成柱塞在工作中除受拉壓作用外，還要承受彎曲作用，導(dǎo)致表面的應(yīng)力復(fù)雜。對于凡爾罩而言，由于出油口的存在使得其受力情況更為苛刻，從而對其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)都提出了較高的要求。該斷裂凡爾罩在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上都存在一定的問題[11-12]。在結(jié)構(gòu)上，由于設(shè)計有3個出油孔，導(dǎo)致凡爾罩根部承載能力大大減弱，且在柱塞端凹面邊緣的設(shè)計上過于尖銳，沒有足夠的圓角過渡，造成該處的應(yīng)力過度集中。同時在機(jī)加工過程中，凡爾罩表面加工質(zhì)量較差，留有許多明顯的加工痕跡和局部的劃痕，成為應(yīng)力集中點[13]。正由于該凡爾罩在結(jié)構(gòu)設(shè)計上過于追求流量而忽視了強(qiáng)度需求以及在機(jī)加工過程中比較粗糙，從而導(dǎo)致其表面裂紋源在很短的時間內(nèi)就迅速出現(xiàn)。在材料上，雖然該凡爾罩整體顯微組織細(xì)小且分布均勻，硬度和顯微組織基本符合要求，但是由于冶金缺陷造成的較多大尺寸含硅夾雜物以及斷口中存在的沿晶裂紋，嚴(yán)重影響了材料的疲勞性能，特別是在裂紋源形成及擴(kuò)展過程中起到了極大的促進(jìn)作用，使得表面形成的初始裂紋能夠在擴(kuò)展過程中迅速形成粗大的二次裂紋和沿晶開裂，最終導(dǎo)致凡爾罩整體的疲勞斷裂和柱塞的斷裂失效。
3 結(jié)論及建議
(1) 該凡爾罩?jǐn)嗔研再|(zhì)為疲勞斷裂。
(2) 該凡爾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理和較差的表面加工質(zhì)量導(dǎo)致了其表面多處產(chǎn)生應(yīng)力集中，過早形成疲勞裂紋源；凡爾罩顯微組織和硬度基本符合要求，但由于存在較多大尺寸的含硅夾雜物等冶金缺陷，導(dǎo)致后期裂紋的迅速擴(kuò)展，并在很短時間內(nèi)發(fā)生斷裂失效。
(3) 建議對該凡爾罩加以改進(jìn)以避免其發(fā)生早期斷裂失效，可以從以下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：首先要合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)，并嚴(yán)格控制加工過程和表面加工質(zhì)量；另外，要提高材料的冶金質(zhì)量，避免冶金缺陷的產(chǎn)生。
[1] 閆學(xué)峰,檀朝東,周曉東.國內(nèi)油田抽油泵應(yīng)用工況及失效形式綜述[J].中國石油和化工,2008(18):48-51.
[2] 劉同建.有桿泵游動凡爾罩?jǐn)嗝摍C(jī)理及治理技術(shù)[J].中國科技信息,2008(21):166-167.
[3] 李欣,徐陽.抽油泵防斷上凡爾罩的改進(jìn)及應(yīng)用[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報,2011,24(1):16-17,21.
[4] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5] 傅國如,張崢.失效分析技術(shù)[J].理化檢驗-物理分冊,2005,41(4):212-216.
[6] 陳國權(quán),張立文,李佳珊.減速器管斷裂失效分析[J].失效分析與預(yù)防,2014,9(6):379-382.
[7] 李朋興.金相分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,1982.
[8] 馮繼軍,郭文芳,彭賢鋒.某型發(fā)動機(jī)高壓油泵柱塞套開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(10):693-696.
[9] 黃維剛,方鴻生,鄭燕康.回火溫度對高硅Mn-B系貝氏體鋼強(qiáng)韌性的影響[J].金屬熱處理學(xué)報,1999,20(4):31-34.
[10] 崔崑.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.
[11] 夏書敏,張貞明.3Cr13鋼連桿及銷軸熱處理工藝的改進(jìn)[J].熱加工工藝,2000(3):39-40.
[12] 韓棟,修吉平,李佳玲,等.壓裂泵泵頭體失效分析[J].失效分析與預(yù)防,2012,7(2):126-131.
[13] 滕學(xué)清,呂拴錄,馮春,等.某井114.3 mm油管接箍破裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(5):376-379.
Failure Analysis on Fracture of an Oil-well Pump Valve Cover
GAO Hai-jun1, ZOU Zong-ming2, MA Lin-hu1, ZHU Quan-ta1, GUO Da-ji1
(1. Grant Prideco of National Oilwell Varco, Beijing 100007, China; 2. Chuanxi Drilling Co., CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu 610051, China)
The valve cover of a oil-well pump plunger fractured after use for less than two months in an oil field. The macro and micro fracture appearance characteristic, microstructure, hardness and chemical compositions of the valve cover were analyzed by optical microscope, scanning electron microscope, microhardness tester, etc. The results show that the unreasonable structure design and poor surface machining quality of the valve cover caused its surface stress concentration and premature appearance of fatigue crack source. At the same time, the existence of lots of inclusions containing silicon in the material resulted in rapid propagation of the intergranular cracks, which led to the final fatigue fracture of the valve cover.
valve cover; failure analysis; fatigue; fracture; structure design; surface machining; inclusion
10.11973/lhjy-wl201704013
2016-08-23
高海軍(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事鉆具技術(shù)研究及市場開發(fā)工作，hj_gao@163.com。
TE931
B
1001-4012(2017)04-0284-04
質(zhì)量控制與失敗分析
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