钻井泵主轴承螺栓断裂分析

　　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。