譚愛芳，馮玲

中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠 湖北荊州 434024

1 序言

高壓管匯作為超大功率成套壓裂裝備的配套件，其作用是將高壓泵排出的高壓壓裂液輸送到井位。高壓管匯主要由各種閥體、直管和活動彎頭組成，零部件相互之間的聯(lián)接基本靠零件上的公母由壬端部，高壓管匯的壽命直接決定了油氣開采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，我國非常規(guī)油氣開發(fā)要求大排量壓裂施工作業(yè)，不僅壓力高，作業(yè)時間長，而且排量大，作業(yè)工況相當(dāng)惡劣。因此在油田壓裂施工作業(yè)過程中，高壓管匯公由壬端需承受著壓裂泵排出的超高壓、大排量的壓裂液帶來的不規(guī)則、多方向的巨大脈沖力。

自2014年我國開啟大型油氣田及煤層氣開發(fā)以來，面對如此惡劣的工況，高壓管匯公由壬端在使用過程中失效的情況時有發(fā)生，其壽命較常規(guī)壓裂施工作業(yè)明顯低很多。為此，幾年來我們不斷地進(jìn)行分析和改進(jìn)。一方面分析產(chǎn)品失效機(jī)理，查找失效原因；另一方面，從材料和力學(xué)性能著手，提升產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能，探究改進(jìn)措施，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的破斷抗力，最終延長了產(chǎn)品的使用壽命。

2 公由壬端失效形式

2.1 公由壬端的聯(lián)接方式及其失效形式

高壓管匯零部件之間的聯(lián)接如圖1所示。幾年來，在頁巖氣開采過程中，產(chǎn)品公由壬端的失效形式如圖2所示。

圖1 高壓管匯公母由壬連接示意

圖2 高壓管匯公由壬端失效形式

2.2 分析與檢測

（1）性能檢測 按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在失效產(chǎn)品上切取縱向試樣，其中拉伸試樣1件，沖擊試樣3件，檢測結(jié)果見表1，產(chǎn)品的沖擊性能不滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 產(chǎn)品力學(xué)性能

（2）宏觀斷口形貌 裂紋出現(xiàn)在公由壬端結(jié)構(gòu)突變處，沿圖2白線處取下斷口，發(fā)現(xiàn)裂紋自臺階處由外往內(nèi)延伸，失效部位裂紋擴(kuò)展如圖3所示，斷口形貌如圖4所示。從圖4可見，斷口上有銹蝕，但沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，屬于拉壓疲勞斷裂，裂紋萌生源在管壁外部，屬多源疲勞裂紋。

圖3 公由壬端失效部位

圖4 公由壬端失效斷口形貌

（3）微觀組織 裂紋附近金相組織為回火索氏體+粒狀滲碳體，如圖5所示。裂紋源不止一處，外圓弧有多處裂紋源，選取其中之一進(jìn)行觀察，可看到主要是呈現(xiàn)韌窩狀，表面有氧化現(xiàn)象，如圖6所示。沿著裂紋源往下延伸繼續(xù)觀察，可以看到仍然呈現(xiàn)出韌窩狀。繼續(xù)往下延伸，可看到沿晶斷裂形貌，表面有明顯氧化，如圖7所示。

圖5 回火索氏體+粒狀滲碳體

圖6 韌窩

圖7 沿晶斷裂

3 理論分析與探究

3.1 材料的力學(xué)性能

從材料的力學(xué)性能看，產(chǎn)品的沖擊性能不足，而硬度有余。過高的硬度，會讓產(chǎn)品內(nèi)部極易萌生微裂紋。有研究表明，金屬的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度呈近似線性關(guān)系[1]，金屬的極限抗拉強(qiáng)度和硬度之間也存在一種關(guān)系?？估瓘?qiáng)度和硬度越高，金屬構(gòu)件承受較高的波動載荷時，越容易發(fā)生疲勞失效。金屬疲勞機(jī)理的普遍解釋是基于位錯理論[2]。理論上講，金屬晶體中的原子排列是不完善的，并且含有許多缺失的原子。缺失的原子會產(chǎn)生間隙，從而造成大量的應(yīng)力提升。當(dāng)金屬被加載時，應(yīng)力升高的間隙通過晶粒剪切并聚集在一起，當(dāng)足夠的原子間隙聚集在一起時，會萌生微觀裂紋。

另外，金屬結(jié)構(gòu)材料多數(shù)為多晶體，晶粒內(nèi)的滑移是由沿著晶面移動的位錯造成的，這樣就使一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)一個或幾個滑移面。隨著循環(huán)載荷作用次數(shù)的增加，滑移線不斷增多和變粗，形成滑移帶。繼續(xù)循環(huán)加載，裂紋沿滑移帶方向擴(kuò)展，如果載荷增加，則初始裂紋張開。當(dāng)負(fù)載在金屬負(fù)載極限附近從最小值波動到最大值，則新的微觀裂紋從第一微裂紋的位置擴(kuò)展，每個裂紋都成為下一個裂紋的應(yīng)力提升器。繼續(xù)發(fā)展，直到剩下的金屬不再承受負(fù)載，就會突然失效。

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其受力

首先，單純從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，公由壬端結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，并且存在圓弧過渡。通過應(yīng)力云圖分析受力，公由壬端軸肩根部附近存在應(yīng)力集中，當(dāng)屈服強(qiáng)度為930MPa，軸間圓弧為R0.8mm時，公由壬軸肩最大內(nèi)應(yīng)力為806.0MPa；同樣的屈服強(qiáng)度，當(dāng)軸間圓弧為R1.2mm時，公由壬軸肩最大內(nèi)應(yīng)力為753.90MPa，應(yīng)力下降50MPa。如圖8、圖9所示。

圖8 圓弧半徑為R0.8mm時的受力

圓9 圓弧半徑為R1.2mm時的受力

其次，產(chǎn)品配合不當(dāng)，使產(chǎn)品受力不均，造成應(yīng)力集中。此應(yīng)力集中源自以下兩個方面：

1）由圖10和圖11可知，三瓣擋圈的內(nèi)圓弧φ107mm，產(chǎn)品公由壬端的外圓弧φ103mm，二者配合尺寸不一，也就是擋圈內(nèi)圓弧與公由壬端的外圓弧的圓弧面不在同一個圓上，當(dāng)兩者配合在一起時，接觸面積較少，當(dāng)產(chǎn)品承受巨大的高壓流體多向沖擊力時，公由壬端軸肩受力不均，局部區(qū)域承受較高應(yīng)力。

圖10 三瓣擋圈

圖11 產(chǎn)品公由壬端

2）當(dāng)高壓流體流過時，一方面由于橡膠密封圈的緩沖，公由壬端面會產(chǎn)生微量的位移；另一方面，擋圈和翼型螺母對公由壬軸肩的固定約束，迫使來自壓裂泵中不均勻的流量波動瞬時全部作用于公由壬端臺階處，極易造成應(yīng)力集中。

4 改進(jìn)措施

4.1 優(yōu)化材料

選擇優(yōu)良的抗疲勞材料，這是決定零件具有優(yōu)良疲勞抗力的重要因素。為此在選材方面，除了盡量提高材料純凈度，細(xì)化晶粒及選擇最佳的組織狀態(tài)外，還要注重強(qiáng)度、塑性和韌性的合理匹配。采用強(qiáng)韌性更好的材料，提高材料的綜合力學(xué)性能。Ni或Mo能有效地提高材料的強(qiáng)韌性及疲勞極限[3]。這是因?yàn)?，合金元素在鋼中的作用主要是通過提高鋼的淬透性和細(xì)化晶粒、改善鋼的強(qiáng)韌性來影響疲勞強(qiáng)度的。

提高原材料的純凈度，降低夾雜物的含量，以達(dá)到改善產(chǎn)品力學(xué)性能的目的，為了提高材料沖擊韌度，我們降低了材料中的含碳量，從而達(dá)到降低應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。在低合金鋼中增添Ni元素，不但細(xì)化組織，而且當(dāng)Ni溶于奧氏體和鐵素體時能強(qiáng)化組織，穩(wěn)定奧氏體，降低相變溫度，增加淬透性，改善鐵素體的低溫韌性，從而降低脆性轉(zhuǎn)變溫度[4]。

4.2 使金屬流線沿鍛件的輪廓連續(xù)分布

合理設(shè)計(jì)產(chǎn)品的鍛造工藝，良好的鍛造比，可以細(xì)化晶粒，改善組織，提高產(chǎn)品力學(xué)性能。同時，鍛造流線的分布應(yīng)貫穿于整個鍛件制造過程中，好的鍛造流線對產(chǎn)品的壽命是至關(guān)重要的，鍛件流線分布形態(tài)的好壞對鍛件的質(zhì)量有重要影響，因此應(yīng)使鍛件流線的主要方向與零件主要受力方向一致，避免金屬流線末端外露。有研究表明，金屬纖維與工作表面平行為最好，與工作表面所呈的角度越大越不好，垂直于工作表面為最差[5]。當(dāng)工作時的最大正應(yīng)力與流線方向一致，切應(yīng)力方向與流線方向垂直，且流線沿零件輪廓分布不被切斷時，能夠明顯提高產(chǎn)口的使用壽命，應(yīng)盡量保證公由壬臺階處金屬流線的完整性。

4.3 優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

（1）加大過渡圓弧半徑 應(yīng)力集中的作用直接與其半徑的大小有關(guān)。應(yīng)力發(fā)生位置的半徑越小，產(chǎn)生的應(yīng)力集中越大，我們將圓弧由原來的R0.8mm更改為R2mm。

（2）減少產(chǎn)品壁厚差 為了更好地提高產(chǎn)品的壽命，我們在加大圓弧角度的同時，增加公由壬端臺階處的壁厚，盡量減小壁厚差；同時，改直角為鈍角，如圖12所示。

圖12 產(chǎn)品公由壬端的結(jié)構(gòu)及過渡圓弧尺寸

（3）增大擋圈與公由壬端的接觸面積 更改擋圈的內(nèi)徑尺寸，使擋圈內(nèi)徑尺寸與公由壬端外圓柱尺寸一致，均為φ103mm，保證擋圈內(nèi)徑及臺階與公由壬端軸肩的契合度，這樣才能盡可能地增大公由壬端的接觸受力面積，避免應(yīng)力過度集中，如圖13所示。

圖13 擋圈結(jié)構(gòu)及圓弧

4.4 減小過渡圓弧的表面粗糙度值，使加工表面盡可能光滑

為了提高產(chǎn)品的疲勞抗力，用細(xì)砂布拋光公由壬端與擋圈的接觸面。為了降低過渡圓弧的表面粗糙度值，先用普通刀具加工R弧，再用豪克能刀具代替原普通刀具精加工一遍，這樣可使R弧表面粗糙度提高3級以上（粗糙度Ra值輕松達(dá)到0.2μm以下），工件的表面顯微硬度提高20%以上[6]。這樣不僅在圓弧表面形成一定的壓應(yīng)力，而且大大提高了變截面R弧處的疲勞抗力。

5 結(jié)束語

1）通過合理選材，確保產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性的匹配，達(dá)到提高疲勞抗力的目的。

2）更新產(chǎn)品制造工藝，采用鍛造的方法，保證產(chǎn)品關(guān)鍵受力部位金屬流線的完整性，從而提高產(chǎn)品的疲勞抗力。

3）優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品表面粗糙度值，可以大大提高疲勞抗力。