陸海寧 蘇榮
（渤海裝備遼河熱采機械公司（sī）鑽采設備及（jí）材（cái）料檢驗室）
摘 要：某抽油機尾軸承座螺栓在（zài）運行時發生斷裂。對斷裂螺栓（shuān）進行宏觀和微觀檢驗、化學成分分析（xī）、金相檢驗和硬度測試。結果表明：該螺栓運（yùn）行時所受單向彎曲載荷作（zuò）用的交變力，其表麵應力Z大，因其裝配（pèi）或運行過程中出現了鬆動（dòng），使其中部表麵產生應力集中進而產生微裂紋，微裂紋就成為疲勞源，隨著裂紋逐漸發展，積累到一定程度引起螺栓Z終瞬斷。
關鍵詞：尾軸螺栓（shuān）；單向彎曲載（zǎi）荷（hé）；表麵應力集中；疲勞斷裂（liè）
某稠油井開采的抽油機在運行過程（chéng）中發生尾軸（zhóu）螺栓斷裂事故。該尾軸承共使用四個螺栓聯接（jiē），均采用35CrMo鋼六角螺（luó）栓，螺杆直徑為φ30mm，其中一個發生斷裂。螺栓斷裂之後，使橫梁與（yǔ）遊梁脫離，驢頭前（qián）翻掉入井中，嚴（yán）重影響了設備的正常生產。筆者對斷裂的（de）螺栓進行了理化檢（jiǎn）驗及分析。
1 理化檢（jiǎn）驗
1.1宏觀斷口分析
螺栓斷裂發生在螺杆中部，斷口上存（cún）在兩個不（bú）同特征的（de）區（qū）域，一個區域較為（wéi）細膩，分析認為屬開始斷裂區；另一個區域較為粗糙，呈現金屬光澤邊緣部分存在剪切特（tè）征，屬後斷裂區域。兩個區域各占整個斷口麵積的（de）一半，疲（pí）勞源區與瞬時斷裂區在斷（duàn）口上的位置大（dà）致對（duì）稱。螺栓斷口為典型（xíng）的疲勞斷口特征如圖1（a）所（suǒ）示，認為開始斷裂區斷口光（guāng）滑且有（yǒu）明顯的台（tái）階，邊緣部位已出現擠壓變形，如圖1（b）所示。
1.2化學成分分析
在（zài）斷裂尾軸螺栓（shuān）的斷口附近取樣，使用SPECTRO型直讀光譜儀進行化學成分分析。由表（biǎo）1可見，螺栓的各（gè）元素含量均在GB/T3077-1999標準要（yào）求範圍內，可以確定斷裂螺栓材料為35CrMo鋼。
1.3金相檢驗及硬度測試
從斷裂（liè）螺栓上截取橫向剖（pōu）麵試樣，經磨拋後在LEICADMI-5000M型光學顯微鏡下觀（guān）察，根據GB/T10561-2005實際檢（jiǎn）驗A法，使用ISO評級圖評定，夾雜物級別為：A0.5，B0，C0.5，D0.5。隨後經4%（體積分數）硝酸酒精溶液侵蝕後（hòu）進行顯微組（zǔ）織觀察，圖2（a）為（wéi）斷裂螺栓邊緣的顯微（wēi）組織形貌，為回火索氏體（tǐ）+少量鐵素體；圖2（b）為（wéi）斷裂螺栓心部（bù）的顯微組（zǔ）織（zhī）形貌，為回火索氏體+鐵素體，心部的鐵素（sù）體（tǐ）數量比邊（biān）緣的多，表明螺栓材料在組織上（shàng）不均勻。
對（duì）斷裂螺栓使（shǐ）用HB-3000B型布氏硬度計（jì）進行硬度測試，結果（guǒ）顯示（shì）螺栓心部硬度為302HBW5/750，邊緣硬度為335HBW5/750，此結果與顯微（wēi）組織觀察顯示相符合。查（chá）常用鋼材抗拉強度與（yǔ）硬（yìng）度對照表，此硬度值範圍（wéi）對應的抗拉強度應在950~1050N/mm2之間，GB/T3077-1999標準中對（duì）35CrMo鋼抗拉強度的要求為（wéi）不小於980N/mm2，由此推斷材料的強度應該在標（biāo）準的下限。
2 綜合分析
螺栓斷口宏觀形貌上所示的台階，是疲勞斷裂的典（diǎn）型特征。斷（duàn）口觀（guān）察結果顯示（shì），螺栓斷口上（shàng）疲勞擴展充分，宏觀斷口平坦（tǎn）細膩，裂紋擴展應（yīng）力不大，說明其疲勞過程是相當長的。由斷（duàn）口的宏觀（guān）形貌可（kě）以看出，斷（duàn）口在（zài）形成過（guò）程中兩個相對斷口的相互摩擦較（jiào）為嚴重，已（yǐ）將斷口表麵擠壓摩擦光滑，說明螺栓是受單向彎曲交變載荷作用而疲勞（láo）斷裂的。
尾軸螺栓鬆動是抽油（yóu）機（jī）常見故（gù）障之一，抽油機運轉時（shí）一側受力大（dà），另一側受力小，長時間的運轉就可能拉斷連杆，拉斷尾軸、尾梁螺栓，造成翻機、扭壞遊梁等事故，造成不應有的損失。螺（luó）栓在服役中受單向彎曲載（zǎi）荷（hé）作用，該螺栓正是在承受Z大拉應力一邊的表麵上（shàng）產生疲勞源，隨後疲勞裂紋沿著與正應力相垂直的方向（xiàng）擴展，直至發生突（tū）然斷裂。[1]
由於斷裂（liè）螺栓長度不足以完成拉伸力學性能測試，故僅從化學成分、顯微組織和硬度進行（háng）分析。從顯微（wēi）組織看（kàn）該螺栓（shuān）為調質（zhì）組織，螺栓心部與邊緣組織存在一定差異，心部有（yǒu）較多的鐵素體（tǐ）組（zǔ）織出現，硬度測試也（yě）證明該螺栓心部與邊緣區域存在（zài）性能上（shàng）的差異（yì）。由（yóu）於索氏體與鐵（tiě）素體之（zhī）間存在不同的強度和塑性變形，在受相同的機械力時，可產（chǎn）生不同的塑性變形，在（zài）兩（liǎng）相的晶界部分會產生存在較大的（de）應力和變形。這（zhè）種變形和殘餘應力一（yī）旦超過螺栓的抗裂強度（dù）即（jí）引起晶界破裂，繼續發（fā）展則（zé）成為斷裂的一個條件。但組織內（nèi）存在較多鐵素體，鐵素體是淬火時產生的，因為回火的過程實質是碳原子擴散，粒狀碳化物析出（chū），以及消除馬氏體痕跡（jì）的過程。所以淬火後保留下的鐵素體不（bú）會也不能發生變化。而此螺（luó）栓中的鐵素體大量呈塊狀，為淬（cuì）火溫（wēn）度低和（hé）保溫時間不足（zú），進而不能充分奧氏體化所造成的。[2]因此熱處理方麵的不當也（yě）是（shì）造（zào）成（chéng）螺栓斷裂的一（yī）個誘因。
3 結（jié）論及建（jiàn）議
（1）螺栓的化學（xué）成分符合技術要求，夾雜物級別（bié）不高，該螺栓（shuān）的原材料質量正（zhèng）常。螺栓心部（bù）硬度略低於表麵，說明其熱處理過程控製不當。
（2）通過對抽油機尾軸（zhóu）承座螺栓斷裂的失效分析認為（wéi），其斷（duàn）裂（liè）的主要原因是裝（zhuāng）配質量及（jí）製造質量。為了防止類似事故的發生（shēng），應從加強製造（zào）過程的工藝控製、理化檢驗，以及提高裝配質量入手，使螺栓在（zài）裝配過程中免受偏心載荷。[3]嚴格按照（zhào）抽油機一級保養周（zhōu）期700～800h進行保養，定期檢查並緊固或（huò）更換尾軸固定螺栓。
參考文獻：
[1]胡（hú）世炎.機械（xiè）失效分析手冊[M].成都：四川科學技術出版社，1999：629.
[2]上海市機械製造工藝研究所（suǒ）.金相（xiàng）分析技術[M].上海：上海科學（xué）技術文獻出版（bǎn）社，1987：304.
來源：《城市建設理論研究（電子版）》2013年8期（qī）
