韓 棟，修吉平，李佳玲，劉 瓊，張 倫

(1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074;2.江漢油田第四石油機(jī)械廠，湖北荊州434000)

0 引言

隨著我國(guó)石油、天然氣需求的高速增長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)發(fā)難度較大的深井、超深井油氣田、低滲透油田及煤層氣田的開(kāi)發(fā)已成為國(guó)家能源開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略之一。目前，我國(guó)油田的平均采收率在30%左右，而世界先進(jìn)國(guó)家已達(dá)到50%～70%。壓裂作業(yè)技術(shù)是油氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施，經(jīng)過(guò)壓裂作業(yè)的油氣井的產(chǎn)量可增加幾倍至幾十倍［1］。目前，制約提高我國(guó)資源利用率、確保油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵問(wèn)題是現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)壓裂裝備的作業(yè)能力偏低，在低滲透油氣田及深井油井的作業(yè)效果較差，往往在未達(dá)使用壽命時(shí)就發(fā)生失效，近年來(lái)在全國(guó)各地油田使用的國(guó)產(chǎn)壓裂泵已有多起類(lèi)似的泵頭體開(kāi)裂失效發(fā)生。這些失效現(xiàn)象嚴(yán)重影響了我國(guó)在深井超深井油氣田、低滲透油田及煤層氣田開(kāi)發(fā)效率，因而探究其失效機(jī)理，改進(jìn)壓裂泵泵頭體的設(shè)計(jì)已成為一個(gè)十分緊迫的問(wèn)題。

本研究針對(duì)某油田作業(yè)的壓裂泵發(fā)生泵頭體交變腔開(kāi)裂現(xiàn)象，采用金屬構(gòu)件失效分析的方法和步驟，從壓裂泵泵頭體裂紋位置、力學(xué)性能及成分分析、宏觀形貌、斷口分析、有限元分析等方面對(duì)該典型失效件進(jìn)行研究，以明確其失效性質(zhì)及原因，并提出改進(jìn)方法與措施。

1 壓裂泵泵頭體及失效情況

壓裂泵為三缸高壓壓裂泵，泵頭體的尺寸為946 mm×580 mm×495 mm，該泵頭體材料為Cr－Ni－Mo特級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)鍛造、鍛后熱處理、粗加工、調(diào)質(zhì)處理后，最后進(jìn)行精加工。泵頭體的實(shí)際工作最高壓力為105 MPa，工作時(shí)泵頭體內(nèi)腔承受交變應(yīng)力，工作介質(zhì)為水、砂子和酸化介質(zhì)，其中，酸化介質(zhì)中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的HCl。

圖1 裂紋及其位置示意圖Fig.1 Diagram of crack and its position

該泵在投入使用132 h后發(fā)現(xiàn)刺漏。分解泵頭體后經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)柱塞腔及吸入腔裂紋貫穿，腔體內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重，裂紋總長(zhǎng)約260 mm，見(jiàn)圖1a中的矩形框，裂紋與泵頭體位置關(guān)系如圖1b所示。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 化學(xué)成分、探傷分析及力學(xué)性能試驗(yàn)

泵頭體材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，成型工藝復(fù)雜，為排除由于泵頭體材質(zhì)以及成型工藝等本身的缺陷而導(dǎo)致泵頭體失效的可能，對(duì)泵頭體的材質(zhì)以及力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試［2］。

1)化學(xué)成分分析。在泵頭體不同位置截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，證明符合該優(yōu)質(zhì)合金鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成分要求范圍。

2)探傷分析與夾雜物評(píng)級(jí)。超聲波探傷執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T5000.15—2007中的I級(jí)，探傷報(bào)告結(jié)果為合格，高、低倍組織檢查結(jié)果符合協(xié)議要求，塑性?shī)A雜物和脆性?shī)A雜物各不超過(guò)1.0級(jí)。

3)力學(xué)性能測(cè)試。用線切割在實(shí)驗(yàn)樣品中切出橫向、縱向、豎直3個(gè)方向的方料(圖1b)，共30根。將方料加工成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)格，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其中拉伸和沖擊試樣每個(gè)方向各5根。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of mechanical properties test

從力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果可以看出，各方向的抗拉強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，但是橫向的沖擊韌性值偏低，該方向的組織可能為垂直纖維方向。

對(duì)泵頭體材料基體及交變腔斷口面的硬度進(jìn)行了測(cè)量，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果表明整個(gè)測(cè)試面的硬度值分布比較一致，平均值大約為32 HRC，說(shuō)明熱處理質(zhì)量比較理想。

從以上數(shù)據(jù)可知，泵頭體的材質(zhì)及力學(xué)性能基本符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 裂紋及斷口形貌分析

截取柱塞孔第一腔上半部分進(jìn)行檢驗(yàn)，觀察發(fā)現(xiàn)柱塞腔與吸入腔裂紋貫穿，腔體內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重，表層易剝落，裂紋總長(zhǎng)約260 mm，寬度在顯微鏡下顯示為10～30 μm，最寬位置為兩腔相貫線處，達(dá)300 μm。經(jīng)過(guò)分解樣品后發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)由柱塞腔和排出腔的相貫處擴(kuò)展到動(dòng)力端支撐肋板處，三角形的肋板下端幾乎完全斷裂，距離排出腔內(nèi)表面的深度約90 mm。

將柱塞腔與排出腔的貫穿裂紋打開(kāi)后觀察斷口發(fā)現(xiàn)整個(gè)斷口基本平整，由于結(jié)構(gòu)原因，小部分區(qū)域有明顯的塑性變形。整個(gè)斷面布滿(mǎn)了腐蝕坑，部分腐蝕坑內(nèi)有黃綠色腐蝕產(chǎn)物被鐵銹包圍，緊臨兩腔體表面處腐蝕坑比較密集而且氧化較嚴(yán)重(圖2)，由此可初步判斷出裂紋源應(yīng)位于柱塞腔與排出腔的相貫處。在該斷面的左下部存在明顯疲勞弧線，并向遠(yuǎn)離相貫線的方向擴(kuò)展，且疲勞弧線的圓心指向兩腔的相貫線處;對(duì)相貫線部位放大觀察，同樣可見(jiàn)擴(kuò)展方向一致疲勞弧線，擴(kuò)展方向如圖中黑色箭頭所示。裂紋擴(kuò)展明顯偏向第一腔外側(cè)，該側(cè)壁厚較薄，屬于強(qiáng)度薄弱部位。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of fracture surface

通過(guò)環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察交變腔的相貫線部位，發(fā)現(xiàn)有撕裂臺(tái)階面與多處微裂紋，裂口尖端有細(xì)小裂紋延伸。這說(shuō)明過(guò)渡圓弧處不只存在一條大的周向主裂紋，同時(shí)伴有多處裂口及細(xì)小裂紋，這些裂口和裂紋在工作載荷下均有可能擴(kuò)展［3］(圖 3)。

圖3 相貫線處斷口形貌Fig.3 Appearance of the fracture surface near the intersecting line

綜上所述，初步推測(cè)裂紋起源于交變腔的相貫線處，并垂直于腔厚度由腔內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，同時(shí)偏向薄壁方向。

在光學(xué)顯微鏡下直接觀察裂紋，為了保護(hù)斷口，并未清理試樣，因此，沒(méi)有觀察到明顯的失效特征，但可在觀察到裂紋中明顯被填充滿(mǎn)顆粒物，可能是殘留的工作介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物。

在打開(kāi)的斷口中，從相貫線處到裂紋前端區(qū)域分別取樣品進(jìn)行環(huán)境掃描電鏡分析。靠近相貫線處的斷口形貌如圖4a所示，該區(qū)域具有明顯的龜裂狀的腐蝕產(chǎn)物，形似干結(jié)的泥土形成的裂紋，俗稱(chēng)為泥狀花樣，通過(guò)X射線能譜儀分析其成分，得知腐蝕產(chǎn)物主要為氧化產(chǎn)物，同時(shí)含有少量的Al和Si元素(圖4b)，其中含有少量的Al和Si元素可能是砂粒或灰塵進(jìn)入斷口區(qū)所致。

由于斷口上腐蝕產(chǎn)物多，為了進(jìn)一步研究其斷口特征，將斷口在超聲波清洗儀上用丙酮清洗，再進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展區(qū)仍然有大量的腐蝕產(chǎn)物，有些部位的腐蝕產(chǎn)物呈針狀(圖5a)，其成分的能譜分析結(jié)果如圖5b所示，顯示腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物。此外，擴(kuò)展區(qū)還可見(jiàn)平行的裂紋以及撕裂層，可能是在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的(圖6)。

圖4 裂紋源區(qū)斷口形貌及其能譜圖Fig.4 Source zone of the fracture surface and its X-ray spectrum

圖5 擴(kuò)展區(qū)形成的針狀腐蝕產(chǎn)物及其能譜分析Fig.5 Appearance of corrosion products at propagation zone and its X-ray spectrum

圖6 擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌Fig.6 Appearance of propagation zone

快速斷裂區(qū)的斷口形貌如圖7所示，其中圖7 a中部區(qū)域具有明顯的沿晶斷裂特征，左下和右下區(qū)域還有撕裂棱特征［5］。圖7b中左下區(qū)域可觀察到成排的狹長(zhǎng)的韌窩帶，該特征往往是由于最后斷裂的擴(kuò)展速率很大時(shí)，疲勞條帶受拉應(yīng)力分離所形成［6］。

根據(jù)以上對(duì)裂紋形貌的分析可知:斷口在宏觀上銹蝕嚴(yán)重且可見(jiàn)疲勞弧線，是典型的疲勞特征;微觀上裂紋源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)具有腐蝕產(chǎn)物和腐蝕特征，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)則有沿晶斷裂和韌窩帶特征;可能由于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的作用，并未觀察到微觀的疲勞輝紋。

2.3 金相檢驗(yàn)

從斷口取樣，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在環(huán)境掃描電鏡下觀察金相組織，結(jié)果見(jiàn)圖8。與典型鋼鐵金相圖譜［4］對(duì)比，圖中金相組織為回火索氏體組織，符合組織的技術(shù)要求，而且多處的取樣的結(jié)果比較一致，組織成分均勻，進(jìn)一步說(shuō)明該材料的熱處理質(zhì)量比較理想。

3 分析與討論

3.1 有限元分析

三缸泵頭體可以簡(jiǎn)化為單缸受內(nèi)壓的力學(xué)模型［7］。根據(jù)單缸的對(duì)稱(chēng)性，取單缸的1/4作為分析對(duì)象，采用8節(jié)點(diǎn)solid185單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分(圖9)。該泵頭體使用中的最大工作壓力為105 MPa，加載時(shí)各腔的壓力均垂直于內(nèi)表面。泵頭體的動(dòng)力端是固定在壓裂車(chē)上，所以模型底部x、y、z方向上都沒(méi)有位移。又根據(jù)對(duì)稱(chēng)性條件可知:xoz平面上不允許有y方向的位移。材料的彈性模量取值為206 GPa，泊松比取0.3。

圖7 快速斷裂區(qū)的斷口形貌Fig.7 Appearance of fast fracture zone

圖8 斷口金相組織及形貌Fig.8 Metallographic structure near fracture surface

圖9 泵頭體的有限元模型Fig.9 FAE model of the pump head

求解結(jié)果如圖10所示，泵頭體節(jié)點(diǎn)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在泵頭體的吸入腔和柱塞腔相貫部位，且拐角處應(yīng)力值最大，值為958 MPa，已經(jīng)接近材料的強(qiáng)度極限;因此，存在很大的安全隱患。由此可以進(jìn)一步確定裂紋源區(qū)位于吸入腔與柱塞腔的相貫處。石敏等［8］采用有限元分析了自增強(qiáng)壓裂泵泵頭體的疲勞壽命，其研究結(jié)果也表明泵頭體的疲勞壽命決定于相貫線。

圖10 泵頭體的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress pattern of the pump head

3.2 裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理分析

壓裂泵開(kāi)裂失效的過(guò)程比較復(fù)雜，受很多因素的影響，綜合以上觀察與試驗(yàn)結(jié)果，可推測(cè)其發(fā)展過(guò)程大致為以下幾個(gè)階段:

1)裂紋萌生階段。壓裂泵工作條件惡劣，不僅承受著平均高達(dá)70 MPa的交變載荷作用，而且還承受著包含水泥、砂子和酸化介質(zhì)的高壓流體對(duì)其的磨損和沖蝕。由宏觀觀察和等效力學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果可知，壓裂泵工作時(shí)在交變腔的相貫線處應(yīng)力值最大，接近材料的強(qiáng)度極限，先形成缺陷，缺陷在交變應(yīng)力的作用下形成微裂紋。

`2)微裂紋擴(kuò)展階段。在柱塞腔與吸入腔的相貫線處，逐漸產(chǎn)生很多微小裂紋，進(jìn)一步出現(xiàn)應(yīng)力集中并開(kāi)始擴(kuò)展，并與鄰近較大裂紋合并產(chǎn)生撕裂臺(tái)階，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展。由于裂紋源處所受的應(yīng)力垂直于該處的纖維組織方向，所以裂紋易于沿著纖維組織方向擴(kuò)展，從而逐漸發(fā)展成宏觀裂紋。

3)宏觀裂紋擴(kuò)展階段。隨著宏觀裂紋的形成，有沙粒和鹽酸的工作介質(zhì)會(huì)進(jìn)入裂紋擴(kuò)展斷面，由于它們的楔入效應(yīng)，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)增加應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕程度，加速裂紋的擴(kuò)展。主裂紋起裂后，較平直地向內(nèi)部擴(kuò)展，同時(shí)偏向薄弱的外壁方向，剩余壁厚愈來(lái)愈薄，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時(shí)，產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展而很快使設(shè)備失效。

綜上所述，該壓裂泵的失效具有以下特征:工作時(shí)承受交變應(yīng)力、斷口宏觀上具有疲勞弧線、微觀上具有腐蝕特征形貌。依據(jù)腐蝕疲勞判據(jù)，認(rèn)為其主要失效模式為腐蝕疲勞失效。腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的共同作用加速了腐蝕過(guò)程，而腐蝕作用又加速了疲勞過(guò)程，腐蝕和疲勞交互作用導(dǎo)致該壓裂泵疲勞壽命顯著降低，以至于在投入使用僅132 h后就失效。

3.3 改進(jìn)措施

為有效延長(zhǎng)壓裂泵的正常工作時(shí)間，建議采取以下改進(jìn)措施:

1)高硬度材料的應(yīng)力集中敏感性較高，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整泵頭體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如增大交變腔相貫線的圓弧倒角，使過(guò)渡更為圓滑，以減小應(yīng)力集中系數(shù);

2)裂紋易于沿纖維組織的方向擴(kuò)展，在鍛造或機(jī)加時(shí)應(yīng)考慮纖維組織方向與泵頭體交變腔的受力方向的影響，有助于延長(zhǎng)泵頭體使用壽命;

3)增加泵頭體薄弱方向的厚度，改善泵頭體材料承受的張力;

4)對(duì)工作介質(zhì)的原砂進(jìn)行氫氟酸鈍化處理，降低對(duì)泵頭體內(nèi)腔的沖擊，延緩裂紋產(chǎn)生;

5)在交變腔采用內(nèi)套特殊材料(如單相不銹鋼、特種工程塑料等)，可阻止腐蝕介質(zhì)與泵頭體基體材料的接觸，從而避免基體材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕［9］。

4 結(jié)論

1)該壓裂泵泵頭體相貫線處在工作時(shí)所受應(yīng)力值接近材料的強(qiáng)度極限，為裂紋產(chǎn)生源;

2)該壓裂泵泵頭體的失效機(jī)理主要是腐蝕疲勞失效，在交變載荷和腐蝕性介質(zhì)交互作用下形成裂紋并擴(kuò)展，從而失效;

3)應(yīng)當(dāng)從腐蝕條件、設(shè)計(jì)考慮、材料選擇及表面防護(hù)等方面，采取疲勞腐蝕防護(hù)措施。

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