陆海宁　苏荣
（渤海装备辽河热采机械公司钻采设备及材料检验室）

　　摘　要：某抽油机尾轴承座螺栓在运行时发生断裂。对断裂螺栓进行宏观和微观检验、化学成分分析、金相检验和硬度测试。结果表明：该螺栓运行时所受单向弯曲载荷作用的交变力，其表面应力Z大，因其装配或运行过程中出现了松动，使其中部表面产生应力集中进而产生微裂纹，微裂纹就成为疲劳源，随着裂纹逐渐发展，积累到一定程度引起螺栓Z终瞬断。

　　关键词：尾轴螺栓；单向弯曲载荷；表面应力集中；疲劳断裂
　　某稠油井开采的抽油机在运行过程中发生尾轴螺栓断裂事故。该尾轴承共使用四个螺栓联接，均采用35CrMo钢六角螺栓，螺杆直径为φ30mm，其中一个发生断裂。螺栓断裂之后，使横梁与游梁脱离，驴头前翻掉入井中，严重影响了设备的正常生产。笔者对断裂的螺栓进行了理化检验及分析。
　　1　理化检验
　　1.1宏观断口分析
　　螺栓断裂发生在螺杆中部，断口上存在两个不同特征的区域，一个区域较为细腻，分析认为属开始断裂区；另一个区域较为粗糙，呈现金属光泽边缘部分存在剪切特征，属后断裂区域。两个区域各占整个断口面积的一半，疲劳源区与瞬时断裂区在断口上的位置大致对称。螺栓断口为典型的疲劳断口特征如图1（a）所示，认为开始断裂区断口光滑且有明显的台阶，边缘部位已出现挤压变形，如图1（b）所示。

　　1.2化学成分分析
　　在断裂尾轴螺栓的断口附近取样，使用SPECTRO型直读光谱仪进行化学成分分析。由表1可见，螺栓的各元素含量均在GB/T3077-1999标准要求范围内，可以确定断裂螺栓材料为35CrMo钢。

　　1.3金相检验及硬度测试
　　从断裂螺栓上截取横向剖面试样，经磨抛后在LEICADMI-5000M型光学显微镜下观察，根据GB/T10561-2005实际检验A法，使用ISO评级图评定，夹杂物级别为：A0.5，B0，C0.5，D0.5。随后经4%（体积分数）硝酸酒精溶液侵蚀后进行显微组织观察，图2（a）为断裂螺栓边缘的显微组织形貌，为回火索氏体+少量铁素体；图2（b）为断裂螺栓心部的显微组织形貌，为回火索氏体+铁素体，心部的铁素体数量比边缘的多，表明螺栓材料在组织上不均匀。

　　对断裂螺栓使用HB-3000B型布氏硬度计进行硬度测试，结果显示螺栓心部硬度为302HBW5/750，边缘硬度为335HBW5/750，此结果与显微组织观察显示相符合。查常用钢材抗拉强度与硬度对照表，此硬度值范围对应的抗拉强度应在950~1050N/mm²之间，GB/T3077-1999标准中对35CrMo钢抗拉强度的要求为不小于980N/mm²，由此推断材料的强度应该在标准的下限。
　　2　综合分析
　　螺栓断口宏观形貌上所示的台阶，是疲劳断裂的典型特征。断口观察结果显示，螺栓断口上疲劳扩展充分，宏观断口平坦细腻，裂纹扩展应力不大，说明其疲劳过程是相当长的。由断口的宏观形貌可以看出，断口在形成过程中两个相对断口的相互摩擦较为严重，已将断口表面挤压摩擦光滑，说明螺栓是受单向弯曲交变载荷作用而疲劳断裂的。
　　尾轴螺栓松动是抽油机常见故障之一，抽油机运转时一侧受力大，另一侧受力小，长时间的运转就可能拉断连杆，拉断尾轴、尾梁螺栓，造成翻机、扭坏游梁等事故，造成不应有的损失。螺栓在服役中受单向弯曲载荷作用，该螺栓正是在承受Z大拉应力一边的表面上产生疲劳源，随后疲劳裂纹沿着与正应力相垂直的方向扩展，直至发生突然断裂。^[1]
　　由于断裂螺栓长度不足以完成拉伸力学性能测试，故仅从化学成分、显微组织和硬度进行分析。从显微组织看该螺栓为调质组织，螺栓心部与边缘组织存在一定差异，心部有较多的铁素体组织出现，硬度测试也证明该螺栓心部与边缘区域存在性能上的差异。由于索氏体与铁素体之间存在不同的强度和塑性变形，在受相同的机械力时，可产生不同的塑性变形，在两相的晶界部分会产生存在较大的应力和变形。这种变形和残余应力一旦超过螺栓的抗裂强度即引起晶界破裂，继续发展则成为断裂的一个条件。但组织内存在较多铁素体，铁素体是淬火时产生的，因为回火的过程实质是碳原子扩散，粒状碳化物析出，以及消除马氏体痕迹的过程。所以淬火后保留下的铁素体不会也不能发生变化。而此螺栓中的铁素体大量呈块状，为淬火温度低和保温时间不足，进而不能充分奥氏体化所造成的。^[2]因此热处理方面的不当也是造成螺栓断裂的一个诱因。
　　3　结论及建议
　　（1）螺栓的化学成分符合技术要求，夹杂物级别不高，该螺栓的原材料质量正常。螺栓心部硬度略低于表面，说明其热处理过程控制不当。
　　（2）通过对抽油机尾轴承座螺栓断裂的失效分析认为，其断裂的主要原因是装配质量及制造质量。为了防止类似事故的发生，应从加强制造过程的工艺控制、理化检验，以及提高装配质量入手，使螺栓在装配过程中免受偏心载荷。^[3]严格按照抽油机一级保养周期700～800h进行保养，定期检查并紧固或更换尾轴固定螺栓。
　　参考文献：
　　[1]胡世炎.机械失效分析手册[M].成都：四川科学技术出版社，1999：629.
　　[2]上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1987：304.

来源：《城市建设理论研究（电子版）》2013年8期