5ZB-2800型压裂泵液力端阀箱失效分析

5ZB-2800型压裂泵液力端阀箱失效分析
杨立群;刘金荣
【摘要】The fluid end valve housing cracked after 5ZB-2800 fracturing pump worked for 114 hours under 75 MPa. The strength and operational life were analyzed using finite element analysis software to find out the places where cracks may happen. And then the internal parts were observed after disassembling the faulty components, a SEM micro scan was performed to check its chemical composition,hardness,metallurgical structure,mechanical properties,etc. The final conclusion showed the properties of material were in compliance with the design requirements, but the main reason was the interlining in the forging blank, which will cause rapid development of corrosive fatigue crack. The inspection of heat-treated materials was strengthened,the structure of high stress was improved,the machining place of valve housing was adjusted,and thus the operational life has been greatly enhanced.%研制的5ZB-2800型压裂泵在75 MPa压力下工作114 h,液力端阀箱出现开裂失效.利用有限元软件进行强度和寿命分析,找出可能出现开裂的部位.解剖失效部件,对开裂部位内部做宏观检查、SEM微观扫描及化学成分、硬度、金相、力学性能等检测.结果表明:毛坯锻造夹层在高压、酸性介质作用下,产生腐蚀疲劳裂纹并快速扩展,导致阀箱早期失效.应加强调质后材料的缺陷检.测、改进阀箱高应力区的结构、调整阀箱加工方位,以提高该压力泵的使用寿命.
【期刊名称】《石油矿场机械》
【年(卷),期】2012(041)012
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】压裂泵;阀箱;裂纹;分析
【作者】杨立群;刘金荣
【作者单位】中国石化集团公司第四石油机械厂材料工艺研究所,湖北荆州434020;甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】TE934.207
5ZB－2800型压裂泵采用5缸柱塞结构，是目前世界上输出功率最大的新型压裂泵。

其中液力端阀箱（也称泵头体）是核心部件，内腔设计承受的最高压力
140MPa，设计寿命为245h。

但在油田进行压裂作业时，工作压力75MPa，仅使用114h，吸入端左侧第1孔就出现刺漏。

拆卸吸入管汇，发现表面呈放射性空穴缺陷和裂纹，造成泵头体整体失效。

调查泵的使用工况，解剖失效泵头体，通过宏观及微观断口形貌观察和理化性能、金相等检测，以及泵头体工作状态下应力和疲劳寿命分析，找出了主要原因，提出了有针对性的改进措施。

1 断口分析
1.1 宏观观察
失效的液力端阀箱如图1，解剖部位如图2。

图1 泵头体开裂部位
图2 解剖部位
1）缺陷位置位于泵头体吸入端左侧第1孔处，约在4点钟位置。

起点从内腔凡尔座止扣外缘，距锥孔约15mm（如图3），延伸贯穿至底部吸入端面。

图3 内腔缺陷位置
2）缺陷为不规则体积形状空腔，由内向外呈发散状（如图4）。

有3条裂纹从缺陷处延伸，其中2条分别沿吸入孔切线反向扩展，另一条沿径向扩展（如图5），并已经贯穿至吸入孔表面（如图6）。

图4 发散状空腔缺陷
图5 裂纹扩展方向
图6 吸入孔贯穿裂纹
3）缺陷起始点具有表面光滑冲蚀状特征，剖开后观察发现，内部缺陷表面呈灰亮的高温氧化色彩（如图7）。

4）注入井内的液体介质为：20%HCL（盐酸）＋0.4%CX－208（胶凝剂）＋2%YHS－2（缓蚀剂）＋0.15%CX－301（铁离子稳定剂）＋0.5%CX－308（助排剂）＋0.5%CX－302（起泡剂）＋2%粘土稳定剂。

由此可见，介质酸度高。

图7 高温氧化层
1.2 微观观察
对吸入孔裂纹断面电镜扫描，可以看出：形貌显示为新撕裂韧窝断口（如图8），为裂纹扩展到最后阶段，导致塑性变形所致［1］。

图8 裂纹微观形貌
1.3 化学成分检测
在缺陷附近取样，检测的化学成分如表1，符合技术要求。

表1 化学成分检测结果wB%C Mn P S Si Cr Ni Mo V Cu检测结果 0.25 0.33 0.008 0.002 0.22 1.44 3.31 0.32 0.06 0.05技术要求 0.22～0.30 ≤0.50 ≤0.015 ≤0.015 0.15～0.30 1.40～2.00 3.25～4.00 0.30～0.60 0.05～0.15 ＜0.2
1.4 硬度测试
在缺陷附近剖面测硬度，分布如图9，硬度为33～37HRC，心部硬度较低，但满足材料硬度33～38HRC要求。

1.5 力学性能试验
力学性能测试结果如表2，可以看出：各方向力学性能虽然都符合技术要求，但纵向冲击韧性值高于横向韧性指标。

1.6 金相组织及夹杂物分析
金相组织为回火索氏体（如图10），即铁素体＋粒状的碳化物，碳化物呈弥散状分布。

非金属夹杂为1.0级，符合技术要求。

图9 硬度分布
图10 回火索氏体组织
表2 阀箱力学性能试验结果屈服极限／MPa强度极限／MPa延伸率／%断面收缩率／%冲击功Akv（－40℃）／J试样1 试样2 试样3 1 140 1 100 17.6 65.8 92 68 64横向 1 140 1 090 16.8 54.9 38 28 40技术要求≥1020 ≥900 ≥12 ≥35 3个试样平均值≥34，单个试样值≥27纵向
2 强度和疲劳计算
由于泵头体结构复杂，尽管采用了优质钢材和精细加工工艺，也常因恶劣的使用工况（例如高疲劳载荷、介质腐蚀、颗粒磨砺及冲蚀作用等）及内腔结构造成应力集中，寿命普遍较低［2－3］。

随着油田超深井、超高压井的不断增多，在高压和高排量下，泵头体损坏情况日益严重。

中国石化集团公司第四石油机械厂与相关单位合作，采用有限元分析软件Msc.Patran和 Msc.fatigue，在压力100MPa、冲次330 min－1模拟工作环境下，对泵头体进行了有限元静强度和疲劳寿命计算分析［4］。

压裂泵工作时，泵头体的各点均处于三向应力状态，按第四强度理论计算
VonMises应力，结果表明：最大应力峰值为846MPa，位于排出阀锥面处，开
裂部位位于吸入阀锥面处，应力值为654MPa。

因此，泵头体在100MPa工况下，满足静强度要求。

但是，排出阀、吸入阀锥面及内腔相贯处有明显应力集中现象（如图11）。

虽然泵头体内部应力没有达到静载荷许用应力极限值，但有可能在周期性交变应力作用下产生疲劳破坏。

计算表明：泵头体最低循环次数为1.91×106，预测寿命约为245h，薄弱环节出现在吸入、排出孔锥面及缸腔与柱塞腔相贯线处（如图12），这些区域将最先产生疲劳破坏。

图11 应力分布
图12 疲劳失效部位
3 失效原因分析
根据对材料微观观察、化学成分、力学性能、硬度、金相组织及夹杂物等检测分析，材质符合设计要求。

从剖切面缺陷整体形貌和表面高温氧化色可以判断，材料内部存有明显的大块夹层，应为锻造轧制过程中形成的皱褶。

泵内高压液体正是沿着夹层界面喷出。

从内腔观察，破坏处是沿吸入阀座边缘开始的。

泵工作初期时，缺陷并没有与内腔贯通。

其失效原因是：
1）腔内压力与处于常压状态下的吸入阀外侧形成巨大压力差，随着柱塞往复运动，吸入阀跟着开启、闭合［4］（如图13），强大的冲击力连续作用于阀座，并传
导至泵头体本体。

图13 液力端阀结构
2）由有限元分析可知：该处恰好是高应力集中区域，在腔内高压以及吸入阀高频率（330次／min）冲击作用下，距夹层顶部最近的阀座边缘首先开裂并与夹层贯通（如图4）。

3）不断冲击产生的振动，使夹层间的氧化物质出现松动并脱落，在高压流体强烈
冲蚀作用下，形成射流通道。

4）夹层内部不规则尖锐缺陷极易在高应力作用下形成应力集中源，并萌发微裂纹。

试验研究表明［5－6］：合金结构钢在脉动循环应力和强酸介质共同作用下，微
裂纹具备了腐蚀疲劳快速扩展的条件。

在短时间内，裂纹沿晶间快速扩展，当裂纹扩展至接近孔壁时，因无法承受高压流作用，材料整体纵向撕裂并与吸入孔内壁贯通，泵头体失效。

4 措施
1）材料调质处理后，采用UT和内孔荧光MT组合探伤［7－8］：缺陷底波降低量≤6dB；不允许有条状缺陷信号；划定毛坯探伤重点区域，并对缺陷性质及当量尺寸作出具体规定。

2）在泵头体内腔高应力区拐角处采用平缓过渡结构，以改善应力集中程度［9］。

3）减轻吸入阀自身质量，增加回位弹簧弹力，以减轻吸入阀对泵头体的冲击［10］。

4）根据泵头体内腔受力状况，利用锻件韧、塑性呈各向异性的特点，在加工孔时，调整锻件纤维组织加工方向，使内腔易开裂区域处于较高的抗冲击位相，从而减缓泵头体缺陷扩展速率，延长使用寿命。

5 结论
1）压裂泵液力端阀箱材质符合技术要求。

阀箱失效原因为：锻造夹层界面在高压液体作用下与泵工作腔贯通，并在冲蚀力作用下形成射流通道。

同时，夹层尖锐处由于应力集中引发微裂纹，在循环应力和强酸介质的共同作用下，裂纹快速扩展而使泵头体早期失效。

2）措施是加强调质后材料的缺陷检测、改进阀箱高应力区的结构、改变阀箱孔加工方位。

改进后的6台压裂泵投入油田使用后，泵头体正常使用寿命＞450h，最
长已达730h，并且仍在正常使用。

【相关文献】
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