某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因

樊春明，张增年，王德贵，徐 虹，王平怀

(1.国家油气钻井装备工程技术研究中心，宝鸡 721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，宝鸡 721002；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司，成都 610051)

0 引 言

石油钻井装备主要用于野外作业，其工作环境差、工况复杂[1-5]。在石油钻井过程中，绞车不仅担负着下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯筒、试油等各项作业，还担负着井架的起放任务等。石油绞车传动轴属于石油机械的大型传动部件，其可靠性对钻井现场的安全施工至关重要。一旦绞车传动轴出现故障，则会造成停钻或井下事故，给相关企业带来较大的经济损失[6-7]。2015年某钻井公司使用的一台新型绞车在交付运行1 a后，出现链轮传动轴断裂事故，使用寿命远低于20 a的设计寿命。该传动轴断裂部位直径为200 mm，轴材料为35CrMo钢，其加工工艺为锻造→粗加工→调质热处理→精加工。为了找到链轮传动轴断裂原因，作者对其进行了失效分析，并提出改进措施。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

链轮传动轴在输入链轮和换挡齿轮中间台阶位置处断裂，具体断裂位置如图1所示。

图1 链轮传动轴断裂位置及该位置的尺寸Fig.1 Fracture location of chain wheel drive shaft (a) and dimension at the position (b)

人工分开断口后对链轮传动轴的断口宏观形貌进行观察。由图2可以看出，链轮传动轴断口位于φ210 mm与φ200 mm轴台阶处的过渡圆角根部。传动轴的断裂经历了裂纹萌生、裂纹扩展及最终断裂3个阶段。裂纹在过渡圆角根部萌生，呈多源特征，存在棘轮状特征，如图2中箭头A所示，说明断口存在应力集中；裂纹扩展区表面光滑、平整，面积较大，如图2中箭头B所示；最终断裂区形似海滩条带状，面积较小，如图2中箭头C所示，说明断口应力比较低。综合分析可知，该链轮传动轴发生疲劳断裂。

图2 链轮传动轴断口宏观形貌Fig.2 Fracture macromorphology of chain wheel drive shaft: (a) input sprocket side and (b) shifting gear side

1.2 化学成分

在链轮传动轴断口处取样，采用ARTUS 10型光谱仪进行化学成分分析。由表1可知，传动轴的化学成分符合GB/T 3077-2015中35CrMo钢的成分要求。

表1 失效链轮传动轴的化学成分(质量分数)

1.3 力学性能

在失效链轮传动轴断口附近沿轴向分别截取尺寸为φ12.5 mm×50 mm的拉伸试样和尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口冲击试样。按照GB/T 228-2002，采用门式电子拉力试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为5 mm·min-1；按照GB/T 229-2007，采用手动摆锤式冲击试验机进行-40 ℃冲击试验。采用HB-3000D型布氏硬度计对失效链轮传动轴断口附近外圆表面的硬度进行测试，载荷为7.35 kN，保载时间为10 s，测6个点取平均值。由表2可知，失效链轮传动轴的抗拉强度、冲击功和硬度均低于技术要求。

表2 失效链轮传动轴的力学性能Table 2 Mechanical properties of failed chain wheeldrive shaft

链轮传动轴在使用过程中主要用来传递动力，承受弯曲和扭转载荷。为了验证传动轴断裂是否由强度不足引起，参考文献[8-11]，按材料屈服强度为500 MPa进行传动轴挤压强度、静强度、刚度(扭转角)和挠度的计算。由表3可知，该失效链轮传动轴的强度、刚度和挠度均满足设计要求，因此链轮传动轴的断裂不是由强度不足引起的。

表3 传动轴强度计算结果Table 3 Calculation of drive shaft intensity

1.4 显微组织

在失效链轮传动轴断口附近的表面及心部分别取金相试样，打磨、抛光，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用AxioObserverA1m型光学显微镜观察显微组织。由图3和图4可以看出：失效链轮传动轴表面组织为上贝氏体+回火索氏体，心部组织主要为上贝氏体+铁素体+珠光体，组织带状分布明显。按照GB/T 6394-2002，该钢的晶粒度为7级，属于细晶组织，符合材料晶粒度的要求。

图3 失效链轮传动轴表面的显微组织Fig.3 Microstructure of failed chain wheel drive shaft surface: (a) at low magnification and (b) at high magnification

图4 失效链轮传动轴心部的显微组织Fig.4 Microstructure of failed chain wheel drive shaft core: (a) at low magnification and (b) at high magnification

1.5 断口微观形貌

采用SZ61-SET型体视显微镜对失效链轮传动轴断口边缘和过渡圆角处进行观察。由图5可知：断口边缘加工刀痕较粗，表面粗糙度Ra在12.5 mm以上；断裂处的过渡圆角(暗色区域)半径约为1.4 mm，断口(发亮区域)存在多次挤磨痕迹。

图5 失效链轮传动轴断口边缘和过渡圆角处的形貌Fig.5 Morphology of fracture edge (a) and transition fillet (b) of failed chain wheel drive shaft

在用SS-550型扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌时发现，原始断口由于前期反复开合挤磨、后期人为打磨及保护不善已面目全非，观察不到真实断口形貌，因此对力学性能试验后的拉伸及冲击断口进行观察。由图6可以看出：拉伸断口存在大量细小韧窝，冲击断口主要由解理、少量准解理与少量韧窝组成；在拉伸和冲击断口上均发现偏聚成片的夹杂物，用SEM附带的能谱仪分析可知，该夹杂物为MnS。片状MnS会导致钢材在塑性和强度方面表现出明显的各向异性，从而降低钢材的整体性能。MnS颗粒的尺寸越大，其对性能的影响越恶劣。

图6 链轮传动轴的拉伸和冲击断口微观形貌Fig.6 Tensile (a-b) and impact (c-d) fracture micromorphology of chain wheel drive shaft: (a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

2 断裂原因分析

由理化检验结果可知，该链轮传动轴在交变弯扭应力作用下发生疲劳断裂，其断裂经历了裂纹形成、裂纹扩展及最终断裂3个阶段，最终断裂区面积较小，说明最终断裂时传动轴所承受的载荷不大。链轮传动轴起裂处存在较严重的应力集中，该处应力集中的形成主要有以下3个方面原因：(1) 加工的过渡圆角半径太小，仅为1.4 mm，未达到设计要求的2 mm；(2) 传动轴断裂位置的表面粗糙度过大，Ra大于12.5 mm，未达到设计要求的1.6 mm；(3) 通过力学计算，传动轴φ210 mm与φ200 mm轴过渡区轴肩截面变化处位于扭转应力峰值截面。失效链轮传动轴的抗拉强度、冲击功、硬度均低于技术要求。通过查阅该传动轴的生产工序记录发现，该传动轴经粗加工和调质处理后的硬度为270 HB，符合技术要求。由此可知，热处理前预留的加工余量过大，造成后期精加工后的表面硬度低于技术要求。失效链轮传动轴组织中存在片状MnS夹杂物，且心部带状偏析明显，导致链轮传动轴整体性能较差，这促进了疲劳裂纹扩展，并最终导致链轮传动轴的疲劳断裂。

3 结论及措施

(1) 链轮传动轴的断裂属于早期疲劳失效。链轮传动轴的裂纹在φ210 mm与φ200 mm轴台阶处的粗糙过渡圆角根部应力集中处萌生，在交变弯扭应力作用下扩展，最终导致链轮传动轴的疲劳断裂；组织中存在的片状MnS夹杂物以及心部带状偏析组织促进了疲劳裂纹的扩展。

(2) 为避免同类事故再次发生，需提高链轮传动轴经粗加工和调质处理后的硬度，保证后续工序完成后最终硬度达到269～302 HB；轴径变径区圆角采用磨削成型，增大过渡圆角半径并降低圆角处的表面粗糙度；净化钢材，采用六面锻造成形工艺彻底将枝晶打碎打散，弱化原始形态枝晶中的带状组织。