鄧春強(qiáng)

（廣漢金鵬石油機(jī)械有限公司，四川 廣漢618300）

2019年11 月，在四川威頁XX平臺頁巖氣壓裂施工時，一臺壓裂泵車液力端排出管匯連接螺栓位于左下方的一顆發(fā)生異常斷裂；該螺栓設(shè)計使用壽命大于100 h，而實(shí)際僅使用到60 h，螺栓在工作過程中承載交變載荷；螺栓制造過程呈標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的特點(diǎn)，由搓絲工藝制作，生產(chǎn)工藝流程為：下料－粗加工－調(diào)質(zhì)處理－精加工－搓絲－表面處理。熱處理工藝為：860℃保溫2 h油淬，520℃回火3 h水冷。通過宏觀及微觀斷口形貌觀察和理化性能、金相組織分析等檢測，找出主要原因，并提出改進(jìn)措施。

1 斷口分析

1.1 宏觀觀察斷口

斷裂位置和斷口宏觀形貌如圖1、圖2。

圖1 斷裂位置

圖2 斷口宏觀形貌

該壓裂泵車液力端排出管匯使用1”-8UNC雙頭螺栓，所用鋼材為42CrMo；斷裂失效位置位于靠近螺母支離承面的螺紋部位，螺栓其余部位尚未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的明顯劃痕、碰傷等缺陷；斷口未見腐蝕痕跡、無明顯塑性變形且呈灰白色，中間部位呈較為平滑的近似圓形且結(jié)晶細(xì)膩；裂紋源處周圍存在由中心向外散、似環(huán)狀水波紋狀平整可見的細(xì)小貝紋線，螺栓邊緣斷裂區(qū)域剪切唇明顯有約呈45°左右的夾角，此為韌性斷裂特征。依據(jù)宏觀斷口形貌特征可以判斷螺栓斷裂失效形式為疲勞斷裂。

疲勞斷裂失效的發(fā)生通常經(jīng)歷四個階段：

（1）產(chǎn)生斷面疲勞源；

（2）裂紋緩慢擴(kuò)展；

（3）裂紋迅速擴(kuò)展；

（4）最終發(fā)生瞬間斷裂。

1.2 微觀觀察

對失效螺栓斷面進(jìn)行掃描電鏡觀察，斷面疲勞源經(jīng)低倍放大后形貌如圖3所示，其斷口無明顯的塑性變形，有明顯可見的疲勞貝紋線，如圖4所示。

圖3 斷面疲勞源形貌

圖4 疲勞貝紋線

為進(jìn)一步驗(yàn)證疲勞斷裂起源，如圖5所示，放大疲勞擴(kuò)展貝紋線，可見，螺栓瞬間斷裂區(qū)為韌窩形貌特征，在螺栓整個斷面上尚未發(fā)現(xiàn)異常金屬夾雜物和其他冶金缺陷的存在痕跡。

圖5 微觀形貌

如圖6所示，經(jīng)清洗去除雜物后觀察，斷裂源附近的區(qū)域表面存在明顯的機(jī)械損傷變形及裂紋，且局部呈鱗片狀分布。

圖6 裂紋

為更進(jìn)一步確定螺栓疲勞失效的原因，從斷裂螺栓缺陷附近沿縱向取樣，磨制并拋光后進(jìn)行顯微分析觀察，發(fā)現(xiàn)所有的螺紋根部均存在裂紋缺陷[1]，而裂紋附近均存在細(xì)小顆粒狀高溫氧化物，如圖7所示。

圖7 螺紋根部裂紋

1.3 化學(xué)成分分析

從斷裂的螺栓端口下方約30 mm處取樣，采用金屬分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，符合GB/T 3077－2015[2]對42CrMo鋼成分的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分分析檢測結(jié)果

由檢測結(jié)果可知，易導(dǎo)致鋼出現(xiàn)脆性斷裂的雜質(zhì)化學(xué)元素硫、磷含量并未超出規(guī)定范圍，由此可以排除硫、磷元素含量超標(biāo)導(dǎo)致的脆斷。

1.4 力學(xué)性能測試

依據(jù)GB/T 231.1－2018[3]，螺栓表面硬度HB329，芯部硬度HB310，符合技術(shù)要求。將斷裂后較長部分做拉伸試驗(yàn)，車削時發(fā)現(xiàn)有螺紋，說明螺栓內(nèi)部存在許多表面看不見的隱形裂紋。對完好螺栓按照GB/T 228－2010[4]進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表2，均滿足技術(shù)要求。

表2 完好的螺栓力學(xué)性能測試結(jié)果

1.5 金相組織分析

按照GB/T 13298－2015[5]在斷裂的螺栓斷口附近取金相試樣，隨后置于光學(xué)顯微鏡下觀察[6]，組織為回火索氏體；除表面存在較多裂紋外，尚未發(fā)現(xiàn)組織異常以及其他冶金缺陷[7]，如圖8所示。晶粒度依據(jù)GB/T 6394－2017[8]評定為7級。

圖8 螺栓組織

根據(jù)GB/T 10561－2005[9]中的實(shí)際檢驗(yàn)A法進(jìn)行非金屬夾雜物級別評定，結(jié)果如表3所示，斷裂螺栓非金屬夾雜物相對較少，材料純凈度良好，無明顯異常。

表3 非金屬夾雜物測試結(jié)果

綜上所述，螺栓顯微組織及非金屬夾雜物級別均為正常。微裂紋形態(tài)不一，略有分叉，裂紋源表面及微裂紋間隙中均存在氧化皮。

2 應(yīng)力分析及疲勞計算

考慮到現(xiàn)場壓裂施工作業(yè)中超深井、超高壓井日益增加，在高壓力和高排量工況下，壓裂泵液力端各零部件損壞更換比較頻繁。利用Inventor軟件建立壓裂泵、高壓排出管匯及螺栓組件連接的三維實(shí)體模型，如圖9所示，采用ANSYS Workbench對其進(jìn)行壓力140 MPa、沖次330 min-1模擬工作環(huán)境下的計算分析。

圖9 三維實(shí)體模型

壓裂泵與高壓排出管匯使用8組1”-8UNC螺栓組件連接，考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，對其進(jìn)行模型簡化處理分析，僅取八分之一建模進(jìn)行圓周循環(huán)對稱分析，采用Tetrahedrons Method法對有限元實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)2782120、節(jié)點(diǎn)總數(shù)2008282，如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)的八分之一及網(wǎng)格劃分結(jié)果

對壓裂泵與高壓排出管匯連接處的端面施加固定約束，在螺栓軸向施加337151 N的預(yù)緊載荷，在壓裂泵與高壓排出管匯的內(nèi)表面施加140 MPa的內(nèi)部壓力；為了便于計算，不建立螺栓和螺母的螺紋真實(shí)牙型，在Geometric Modification中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算；并依據(jù)材料力學(xué)中第四強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。

如圖11所示，當(dāng)僅加載預(yù)緊力載荷時，螺栓光桿、光桿與螺紋結(jié)合處都出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力，位于靠近螺母支離承面的螺紋部位，最大應(yīng)力為173.61 MPa；當(dāng)既加載預(yù)緊力載荷、又加載來自壓裂泵與高壓排出管匯內(nèi)部壓力時，最大應(yīng)力為184.07 MPa，受交變載荷的影響，螺栓的最大應(yīng)力在173.61～184.07 MPa之間交替變化，其應(yīng)力比為0.943。

圖11 不同加載情況的螺栓應(yīng)力分布圖

螺栓的最大應(yīng)力為187.09 MPa，如圖12所示；螺栓的最大變形出現(xiàn)在螺栓光桿處，為0.040502 mm，如圖13所示。

圖12 螺栓應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

圖13 螺栓總變形分布圖

以螺栓材料的S-N曲線為主要設(shè)計依據(jù)，結(jié)合Palmgren-Miner準(zhǔn)則，通過Fatigue Tool疲勞模塊對螺栓的疲勞壽命進(jìn)行分析計算；如圖14所示，螺栓的理論無限壽命為1E6次，而螺栓受交變載荷影響下最小壽命為34756次。Damagel螺栓損傷結(jié)果是指設(shè)計壽命與可用壽命的比值，圖15說明產(chǎn)生了疲勞破壞。由圖16可知，螺栓整體的疲勞安全系數(shù)為0.46829～15，其中最小值出現(xiàn)在螺栓光桿、光桿與螺紋結(jié)合部位。

圖14 螺栓疲勞壽命云圖

圖15 螺栓損傷分布云圖

圖16 安全系數(shù)云圖

由上述分析可看出，此種螺栓整體結(jié)構(gòu)在交變載荷下最大應(yīng)力為184.07 MPa，小于材料許用應(yīng)力，而應(yīng)力集中位于光桿與螺紋結(jié)合部位、靠近螺母支離承面的螺紋；根據(jù)圖14，按照目前的施工工況，以周期3 min/次、每天平均工作10 h左右來計算，其螺栓的理論疲勞使用壽命為0.48年，其值與原設(shè)計使用壽命吻合。

3 失效原因分析

根據(jù)上述對螺栓材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測和金相組織及鋼中非金屬夾雜物含量等檢測分析結(jié)果得知，螺栓材質(zhì)完全符合設(shè)計要求。但通過宏觀斷口可以判斷，螺栓的斷裂失效形式屬于疲勞斷裂，而疲勞起源于螺栓螺紋齒根部表面裂紋及損傷部位。

螺栓在壓裂成套設(shè)備中起著連接、緊固、定位及密封等重要作用，而導(dǎo)致失效并影響螺栓疲勞性能有多種因素?，F(xiàn)場壓裂施工過程大多都處于高壓作業(yè)階段，所以不允許因螺栓原材料本身或者加工過程造成的缺陷導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)受損隱患、影響現(xiàn)場施工人身安全。

3.1 工作時交變載荷的影響

該螺栓位于壓裂泵液力端泵頭體與高壓排出管匯連接處，沿圓周均勻分布，在現(xiàn)場作業(yè)中易萌生裂紋，在工作應(yīng)力及壓裂車作業(yè)時臺上振動等交變載荷的共同影響下，螺栓既承受軸向的拉伸應(yīng)力，又承受徑向的剪切應(yīng)力，此時螺栓表面或內(nèi)部存在的缺陷處的實(shí)際所受應(yīng)力高于平均應(yīng)力，在交變載荷的影響下螺栓細(xì)微裂紋由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至剩余截面無法傳遞工作應(yīng)力時，產(chǎn)生斷裂，且斷裂位置存在應(yīng)力集中情況。由圖11（b）可看出，螺栓工作時不管是受外部的交變載荷，還是承受作用于軸向的外部載荷，都會使已得到預(yù)緊的螺栓產(chǎn)生交變應(yīng)力。

3.2 疲勞極限應(yīng)力副的影響

對于螺栓的疲勞極限，可查閱機(jī)械設(shè)計手冊螺栓疲勞強(qiáng)度的計算，或者通過試驗(yàn)的方式得到S-N曲線。當(dāng)螺栓的應(yīng)力副小于螺栓的疲勞極限時，在使用過程中將不會發(fā)生疲勞失效。由圖14可知，受結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作時交變載荷下應(yīng)力分布的影響，其服役時間有所縮短。

3.3 螺紋牙底形狀的影響

螺栓在服役受力時，螺紋牙底處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[10]，其應(yīng)力值取決于牙底的形狀。螺紋牙底越平滑，應(yīng)力集中越小，抗疲勞強(qiáng)度越高，反之則越低。如圖17所示，常規(guī)加工成型的螺紋牙底（牙型角為60°）都是平的，其疲勞強(qiáng)度很低。若將螺紋牙底以圓弧過渡，螺栓的疲勞強(qiáng)度便可得到提高。本文中螺栓屬于美制統(tǒng)一螺紋（牙型角為60°），可以設(shè)計牙底圓弧半徑不小于0.10825319P，從而降低應(yīng)力集中，使疲勞強(qiáng)度至少提高20%以上。

圖17 不同牙底的螺紋牙型圖

3.4 加工工藝的影響

由圖6、圖7可見，螺栓裂紋來自搓絲加工過程，并在后期持續(xù)過程中發(fā)生輕微氧化[11]。當(dāng)剪應(yīng)力高出材料的剪切強(qiáng)度極限時，金屬材料表面會產(chǎn)生微裂紋，降低了螺紋強(qiáng)度[12]。如圖18所示，采用搓絲滾壓成型的螺紋屬于一種無切削冷加工，在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生切屑，金屬流線連續(xù)且不會被破壞，螺紋的成型質(zhì)量較高且精度準(zhǔn)確；而傳統(tǒng)加工工藝采用板牙套絲、機(jī)床車削及磨削螺紋或者CNC多刃銑削加工，都會有切屑排出，導(dǎo)致材質(zhì)組織纖維被切斷；再者，機(jī)加工切削留下凹凸不平細(xì)微的刀痕及振紋等會導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響螺栓的正常服役壽命。

圖18 不同加工工藝的螺紋牙型圖

4 預(yù)防措施

（1）嚴(yán)格遵循螺栓熱處理工藝規(guī)程，防止在熱處理過程中產(chǎn)生硫、磷等有害雜質(zhì)元素，其在晶界上偏聚，導(dǎo)致產(chǎn)生脆性斷裂。同時也要注意螺栓原材料氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氫在材料內(nèi)部分布并不均勻，會在材料的微觀缺陷及應(yīng)力集中處富集[13]。

（2）合理選擇搓絲滾壓加工工藝參數(shù)并提高加工精度等級[14]；對成品表面選取適合目數(shù)的玻璃珠進(jìn)行噴砂處理，在高應(yīng)力表面引入壓縮殘余應(yīng)力，以達(dá)到提高疲勞壽命的目的。

（3）螺栓成品驗(yàn)收采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，掃描螺栓底波無明顯降低、沒有特殊的波幅不超過五分之二屏高，其他部位均無明顯缺陷反射的波幅[15]。

（4）裝配時，嚴(yán)格按照設(shè)計的942 N·m緊固扭矩對螺栓施加擰緊力矩。避免裝配時出現(xiàn)螺栓緊固或預(yù)緊時承受的扭矩超限、裝配工具與螺紋中心軸線不重合或者嚙合面與螺紋中心軸線不垂直、加載扭矩時速度過快等因素，否則會使螺栓拉斷[16]。

（5）螺栓光桿部分的直徑等同于螺栓的螺紋外徑，螺紋收尾與光桿交界處無過渡圓角存在，此部位有較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中且受力不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋、引起斷裂；根據(jù)螺栓的結(jié)構(gòu)并結(jié)合其使用中的受力狀況，應(yīng)通過改進(jìn)其結(jié)構(gòu)、加工成全螺紋螺栓來消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖19所示。

圖19 全螺紋螺栓

5 結(jié)論

壓裂泵液力端排出管匯螺栓原材料和熱處理符合設(shè)計要求。螺栓的斷裂失效形式屬于疲勞斷裂，而疲勞起源于螺栓螺紋齒根部表面裂紋及損傷部位。造成螺栓缺陷的原因是搓絲滾壓加工時選擇的加工工藝不恰當(dāng)，在交變載荷的影響下螺栓細(xì)微裂紋由外向內(nèi)不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。

綜合ANSYS Workbench軟件各項(xiàng)分析結(jié)果，雙頭螺栓在螺紋與光桿結(jié)合處附近容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用全螺紋螺栓投入現(xiàn)場使用后，其使用壽命已超過300 h，且仍在服役中。