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钻井泵主轴承螺栓断裂分析集尘器

锦富五金网 2022-07-28 23:32:08

钻井泵主轴承螺栓断裂分析

钻井泵主轴承螺栓断裂分析 2011年12月02日 来源:   摘 要:对主轴承螺栓在钻井泵上具体安装配合情况进行了调查,在此基础上,分析计算了主轴承螺栓在钻井泵工作时的受力情况,并通过金相显微镜、扫描电镜等手段对钻井泵主轴承螺栓断裂失效进行了分析。结果表明,该主轴承螺栓受拉-拉和弯曲双重疲劳,且主要在弯曲疲劳的作用下,于主轴承螺栓的应力集中处———螺纹根部,促使疲劳裂纹的产生和扩展,最终导致螺栓的疲劳断裂。为防止这类失效提出了建议。  关键词:钻井泵;主轴承螺栓;断裂;疲劳  1 情况简介  某油田钻井队在钻井中,当钻到井深2100m时,钻井泵主轴承螺栓发生断裂,断裂螺栓残样见图1。图1中A为断裂的主轴承螺栓主体,B是断在轴承座螺栓孔内的主轴承螺栓丝扣端一部分,C是为将B从轴承座螺栓孔内取出而焊在B上的一条辅助取出螺栓。  主轴承螺栓材料为40CrNiMoA,生产工艺流程:锻—粗加工—调质处理—精加工。调质处理硬度要求为305~336HBS。

图1 断裂螺栓残样图2 宏观断口

2 检验与结果  2.1 宏观断口分析  钻井泵主轴承螺栓断裂部位在距螺栓扣端部第25~28扣处,实物断口形貌见图2。从图2可见,其断口为典型的疲劳断口,疲劳裂纹起源于螺纹根部,并具有多源特征(图2中a~f六个源区),断口上疲劳扩展区面积所占比例很大,约占整个断口面积的95%以上(见图2中E区),而瞬断区面积只占很小一部分。  宏观断口形貌表明,该主轴承螺栓属疲劳断裂。疲劳源在螺栓的应力集中处—螺纹根部。  2.2 化学成分分析  在主轴承螺栓残样上取试样,经碳硫分析仪和SPECTROVA21000直读光谱仪分析,主轴承螺栓材料的化学成分符合标准规定,见表1。

2.3 力学性能测定  在主轴承螺栓的1/2R处取纵向拉伸和冲击试样,试验结果列于表2。在螺栓断口附近沿横向切取硬度试片,测得其横截面上的布氏硬度值为335~313HBS,其力学性能符合设计要求。

2.4 低倍组织及金相分析  在主轴承螺栓断口附近分别取横截面低倍试片和金相分析试样。低倍试片按GB/T226-1997进行热酸蚀处理。低倍下观察其组织致密未见宏观缺陷。高倍下螺栓外层组织为回火索氏体,心部组织为回火索氏体+少量上贝氏体,晶粒度7.5级。按GB/T1056-1989评定,非金属夹杂物为A1.0,B2.0,D1.5。  2.5 显微断口分析  在主轴承螺栓断口处取电镜试样,置于扫描电镜下观察,螺纹根部加工刀痕明显,见图3。扩展区微观形貌为疲劳准解理,见图4。

图3 螺纹根部 340×图4 疲劳扩展区 1300×

3 分析与讨论  一般认为,钻井泵主轴承螺栓受拉伸载荷。当钻井泵工作时,其拉伸载荷随主轴的旋转而交替变化,经计算其变化范围在213.8~19.7kN,由于钻井泵的主轴承螺栓的螺杆外径为72mm,所以主轴承螺栓所受的最大拉应力为:

主轴承螺栓所受的最小拉应力和最大拉应力的应力比为:

据资料介绍,40CrNiMoA钢经调质处理后,将其加工成圆形带缺口(Kt=3)试样进行疲劳试验,所加载荷为拉-拉载荷,当应力比R=0.1时,试验测定的疲劳极限为σ0.1p=283MPa,由以上计算可知,钻井泵主轴承螺栓所受最大应力为σmax=5215MPa,此应力值远远小于其疲劳极限(283MPa)。所以,钻井泵主轴承螺栓仅在拉-拉载荷下不会发生疲劳断裂。  图5是钻井泵主轴承盖及主轴承螺栓受力图。图中O点是主轴所在的位置,F为主轴水平方向所受载荷,P为主轴垂直水平方向所受载荷,G为主轴自重。经计算,P的值较小,基本上与重量G抵消,所以,主轴所受载荷可以只考虑水平方向的载荷F。载荷F通过轴承传递到轴承盖上,轴承盖内侧载荷分布见图5,由于上主轴承盖和水平方向成35.85°角度,所以主轴承盖受力较大,因而两个螺栓受到较大的载荷,两螺栓的受力分析见图5,其中F′为水平方向,F″为主轴承盖外表面圆弧的切线方向。由1号和2号螺栓的受力分析可知,两螺栓不仅受轴向载荷P1和P2,而且还受垂直于轴向的载荷F1和F2。由于主轴承螺栓的螺杆外径是72mm,主轴承盖上的螺孔内径是80mm,螺杆与螺孔内壁没有接触,因而主轴承螺栓就相当于一个悬臂梁,既受拉伸载荷P1(或P2),又受弯曲载荷F1(或F2)。主轴所受载荷F随主轴的旋转而交替变化,因而P1(或P2)和F1(或F2)也交替变化,这样主轴承螺栓就受到拉2拉疲劳和弯曲疲劳的双重疲劳作用。

图5 主轴承盖及螺栓受力图(mm)

由图2疲劳断口可见,静断区面积只占很小一部分,而疲劳扩展区面积很大,这说明整个螺栓一侧所受应力较小,但由于两根螺栓均受弯曲载荷,因而螺栓一侧螺纹根部受到很大的应力:另外,由于螺纹根部存在较大的应力集中,因而容易萌生裂纹,裂纹一旦产生,裂纹尖端始终受到较大的应力,因而在交变弯曲载荷下不断疲劳扩展,直至失稳断裂。需要说明的是,螺栓所受的拉2拉载荷只是加速了疲劳裂纹的扩展,但不是疲劳断裂的主要原因。图2断口上有多个疲劳源。疲劳破坏时疲劳源的数目一般受应力水平和应力集中的影响,当应力水平高或有应力集中存在时,疲劳断口上往往存在多个疲劳源。通过以上计算分析,钻井泵主轴承螺栓所受应力较小,而在螺纹根部存在严重的应力集中,致使疲劳断口上有多个疲劳源,这些疲劳源并不处于同一个垂直于主应力的平面上,而当疲劳裂纹向前扩展时,它们会汇合成一个单一的裂纹前沿,并在断口上留下“台阶”等特征(见图2)。  4 结论及建议  钻井泵主轴承螺栓的断裂主要是由弯曲疲劳及螺纹根部严重的应力集中造成的疲劳破坏。为了提高主轴承螺栓抗疲劳破坏的能力,建议从以下四方面采取措施。  (1)精车制扣的刀具应严格按图纸要求进行修磨,并用样板进行检查,确保扣型及扣表面质量。  (2)除按要求对螺纹根部实施滚压强化外,还应保证螺纹根部R=0.4mm圆角与扣侧的良好过渡。  (3)确保主轴承盖上螺栓位置处所在平面的平整。  (4)提醒用户在使用一段时间后,应用液压扭力扳手坚固螺栓,确保螺栓预紧力。  5 效果  在生产制造中通过采取以上措施,尽管近年来钻井泵的年产量已由过去的几十台提高到数百台,但主轴承螺栓的早期疲劳断裂事故却极少发生。

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