压裂泵液缸螺栓断裂失效分析与优化

张 维，周恕毅，雍 军

(四川宏华石油设备有限公司成都研发部，四川 成都 610036)

0 引言

压裂泵是页岩气压裂作业中的关键设备，其液缸螺栓不仅承受整个液缸的重量，而且需承受柱塞运动过程中产生的拉力，液缸螺栓材料一般使用合金材料加工制作而成。螺栓在实际使用中，由于高强度经常在应力集中的部位如螺杆和头部的过渡处或者螺纹根部出现断裂失效[1]，并且压裂泵液缸螺栓维护更换周期较长，因此有必要对压裂泵液缸螺栓的断裂失效进行分析和计算，以提高产品的可靠性。

1 螺栓技术条件

压裂泵液缸螺栓结构如图1所示，直径d=φ45 mm和D=φ60 mm设计过渡台阶结构，螺纹尺寸为M45，螺栓材料为40 CrNiMo，为淬火及回火合金钢，淬火温度840～860 ℃，回火温度540～630 ℃。

图1 液缸螺栓结构型式

2 失效型式和断口分析

现场使用过程中发现目前螺栓主要失效形式有以下两种，其中第二种发生概率最大，见图2和图3所示。

图2 螺栓螺纹处断裂 图3 螺栓截面变化台阶处断裂

(1)从螺栓螺纹根部断裂。

对断裂螺纹进行断口分析，得出断裂的主要原因是车制螺纹过程中产生的微裂纹。

(2)从螺栓截面变化台阶处疲劳断裂

对断裂螺纹进行断口分析，得出该断口为疲劳断口，疲劳源为线性疲劳源，整个断口分为三部分：1)疲劳源区，为线性疲劳源；2)疲劳扩展区，可见明显的贝壳纹线；3)瞬时断裂区，这是最后断裂区域，见图4所示。

图4 疲劳断口分析

3 分析与优化

3.1 螺栓强度校核

(1)采用有限元方法进行计算，模型和网格划分见图5，计算螺栓编号见图6。……