潛油電泵軸斷裂失效分析

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1、潛油電泵軸斷裂失效分析應(yīng)用潛油電泵采油是油田中較為先進(jìn)的生產(chǎn)方法，它能顯著地提高日均產(chǎn)油量，但同吋也對(duì)油出的地質(zhì)構(gòu)造和鉆井的垂直度，以及對(duì)潛油電泵軸（簡(jiǎn)稱泵軸）的耐腐蝕性強(qiáng)韌性和無磁性提出很高的要求，否則會(huì)在日積月累的出油過程中因腐蝕介質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變化，而造成泵軸的磨蝕或卡死斷裂。為此國內(nèi)外常用MonelK500合金制作泵軸的系列產(chǎn)品。中原油HI在采油中曾發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)潛油電泵上兩的細(xì)長泵軸（MonelK500材料）在傳動(dòng)花鍵頭處產(chǎn)生斷裂，對(duì)此進(jìn)行了失效分柝2分析方法在兩根泵軸的殘骸上，分別從

2、花鍵頭處截取400mm左右的試樣（標(biāo)定為1和2樣品）在取樣分析前先用DPT-3型探傷劑對(duì)泵軸表面進(jìn)行著色探傷，隨后用軸線投影法實(shí)測(cè)花鍵斷裂后塑性變形扭轉(zhuǎn)龜在化學(xué)成分分析的同時(shí)，用AMSLER88/28和AG-25TA試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和力學(xué)性能測(cè)定；用Neophot-I型光學(xué)顯微鏡測(cè)定晶粒度和夾雜物的分布；釆用醋酸纖維碳二次復(fù)型法，用JEM200CX透射電鏡觀察泵軸的顯微組織強(qiáng)化相分布和花鍵斷口形貌3測(cè)試與分析結(jié)果3.1花鍵塑性變形角度花鍵在扭轉(zhuǎn)斷裂后的殘余變形角度與泵軸中心線投影相交的夾角，即為花鍵塑性

3、變形角度實(shí)測(cè)結(jié)果表明，1花鍵剪切平斷口變形角為28°,2花鍵呈45。左右斜斷口，殘余變形角為18°3.2表面著色探傷按ZBJ04005-87標(biāo)準(zhǔn)滲透探傷中VA-W方法，對(duì)1和f樣品各部位表面進(jìn)行著色探傷，未見肉眼可見缺陷3.3化學(xué)分析對(duì)1和f試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果列于表1由表可見，1和2泵軸成分都符合美國AMS4676標(biāo)準(zhǔn)的MonelK500合金的要求3.4力學(xué)性能《金屬拉伸試驗(yàn)方法》和GB23187〈金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)定，結(jié)果列于表2表2MonelK500合金數(shù)據(jù)表明

4、，1和2泵軸的力學(xué)性能符合美國表1泵軸的化學(xué)成分(w/%)狀態(tài)Ni(+表2泵軸室溫力學(xué)性能370Inc進(jìn)口泵軸表3扭轉(zhuǎn)性能對(duì)比值扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度f3/MPa扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度f/MPa彈性極限G/MPa扭轉(zhuǎn)角模擬結(jié)果狀態(tài)O/mm(°)/inl8°f/MPa斷裂后塑變角扭轉(zhuǎn)至斷裂角度Huntington標(biāo)準(zhǔn)427.HuntingTon公司標(biāo)準(zhǔn)(冷拔+時(shí)效態(tài))和美國INC公司進(jìn)口泵軸驗(yàn)收技術(shù)要求3.5扭轉(zhuǎn)性能2*試樣夾雜物8K屬平均晶粒度測(cè)定方法》測(cè)定，結(jié)果見1*試樣晶粒度為9級(jí)，21試樣晶粒度為10級(jí)其組織都呈表3是

5、f和泵軸的實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)表明，兩根泵軸的扭轉(zhuǎn)斷裂都呈典型扭轉(zhuǎn)剪切平斷口；試樣模擬斷裂的殘余塑性變形角1為29°f為28。，2與1泵軸花鍵平斷口的殘余變形角度基本一致，而且花鍵使用扭轉(zhuǎn)至28。時(shí)，其應(yīng)力C達(dá)到合金的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，其實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)于美國HuntingTon標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)比表2與表3的e.2/e和f3/f數(shù)據(jù)，1和2泵軸有良好的屈強(qiáng)比，見表4表4泵軸的屈強(qiáng)比試樣號(hào)拉伸性eue扭轉(zhuǎn)性f3/t3.6夾雜物和晶粒度的測(cè)定?89〈鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定法》測(cè)定，結(jié)果見，兩個(gè)試樣的夾雜物都＜1.5級(jí)

6、高溫形變熱處理的李晶a等軸晶其晶粒平均直徑為0.03mm,達(dá)到美國HuntingTon標(biāo)準(zhǔn)小于0.064mm的要求3.7斷口形貌分析1泵軸花鍵的剪切平斷口是典型的卡死扭轉(zhuǎn)斷口，因該斷口對(duì)磨破壞，所以無法進(jìn)行原始形貌分柝對(duì)尚未完全破壞的2試樣的斜斷口進(jìn)行形貌分柝肉眼觀察，之試樣的斷面上呈明顯的放射狀特征，裂紋源位于花鍵表面。對(duì)裂紋源用二次復(fù)形方法進(jìn)行電鏡觀察，該處有少量疲勞滑移條紋（），從而說明2試樣是在1泵軸花鍵扭斷后運(yùn)轉(zhuǎn)一定吋間再產(chǎn)生斷裂連接電動(dòng)機(jī)的2泵軸在1泵軸卡死扭斷后，仍與花鍵傳動(dòng)套及1泵軸的

7、斷頭一起繼續(xù)擺差交變運(yùn)轉(zhuǎn)，直至2泵軸卡死，同時(shí)又受到拉應(yīng)力，在拉伸和扭轉(zhuǎn)交互作用下，產(chǎn)生典型的過載斷裂特征這也就是同一臺(tái)潛油電泵的泵軸先后出現(xiàn)兩種不同斷口的緣故3.8組織分析在透射電鏡下觀察，高倍明場(chǎng)下可觀察到奧氏體基4結(jié)論泵軸表面著色探傷無肉眼可見缺陷材料的雜夾物晶粒度、化學(xué)成分、力學(xué)性能和扭轉(zhuǎn)性能都符合AMS4676或Huntington或INC公司的要求。模擬扭轉(zhuǎn)試樣的斷口都呈剪切平斷口，其塑性變形角為28?；?9。與1泵軸斷口塑性變形角度一致，說明1試樣泵軸是首先卡死斷裂實(shí)測(cè)f試樣扭轉(zhuǎn)至35。

8、和2試樣扭轉(zhuǎn)至38。時(shí)試樣才發(fā)生斷裂；當(dāng)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到18。時(shí)扭轉(zhuǎn)的屈服強(qiáng)度都已超過了HuntingTon公司標(biāo)準(zhǔn)的要求；28時(shí)已達(dá)到合金扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限。金冷拔時(shí)效態(tài)泵軸的微觀組織由Y相利Y相組成/相呈細(xì)小圓顆粒狀彌散分布于Y相基體上試樣的裂紋源位于泵軸的花鍵表面，該處有少量疲勞滑移條紋，說明2試樣是在1泵軸花鍵扭斷后，繼續(xù)擺差交變運(yùn)轉(zhuǎn)，直至再次卡死過載斷裂實(shí)測(cè)1試樣和2試樣的模擬扭轉(zhuǎn)斷口都呈塑性韌窩狀斷口，證實(shí)泵軸韌性良妊