w机械工程材料
MATERIALS FO R MECHANICAL ENGINEERING---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2021年 1月第45卷第 1 期 \〇丨.45N o. 1 Jaiu 2021 DOI：10.11973/jxgccl202101018
樊春明“2，张增年3，王德贵口，徐虹2，王平怀2
(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)
摘要：某石油钻井绞车在运行过程中链轮传动轴突然断裂，通过断口形貌观察、化学成分分 析、力学性能测试、显微组织观察等方法，研究了链轮传动轴断裂的原因。结果表明：链轮传动轴的 断裂属于早期疲劳失效。裂纹在链轮传动轴0210 m m与#200 m m轴台阶处的粗较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M n S夹杂物以及心部带状偏析组织促进了疲劳裂纹的扩展。 关键词：链轮传动轴；疲劳断裂；应力集中；M n S夹杂物；带状偏析
中图分类号：TG115 文献标志码：B 文章编号：1000-3738(2021)01-0109-04
Fracture Cause of Chain Wheel Drive Shaft in an Oil Drilling Drawwork
FAN Chunming12, ZHANG Zengnian3, WANG Degui' 2, XU Hong2, WANG Pinghuai2
(1. National Engineering Research Center for Oil &. Gas Drilling Equipment, Baoji 721002,China；
2. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China；
3. Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Chengdu 610051, China)
Abstract：The fracture of chain wheel drive shaft in an oil drilling drawwork during operation ocurred. The reason for fracture of the chain wheel drive shaft was studied by fracture morphology observation, chemical composition analysis, mechanical property test and microstructure observation. The results show that the fracture of chain wheel drive shaft was early fatigue failure. The cracks initiated at the stress concentration of the rough transition fillet root at the step of 多210 mm and 多200 mm shafts of the chain wheel drive shaft, and expanded under alternating bending and torsion stresses, leading to the fatigue fracture of the chain wheel drive shaft finally. The existence of lamellar MnS inclusions in the structure and the banded segregation in the core promote
d the growth of fatigue cracks.
Key words：chain wheel drive shaft；fatigue fracture；stress concentration；MnS inclusion；banded segregation
〇引言
石油钻井装备主要用于野外作业，其工作环境 差、工况复杂M。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
收稿日期：2020-01-21；修订日期：2020-12-01
基金项目：“十三五”国家科技重大专项项目（2016ZX05020)
作者简介：樊春明（1975 —），男，四川南充人，高级工程师，硕士传动轴出现故障，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[67]。2015年某钻井公司 使用的一台新型绞车在交付运行1a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 m m，轴材料为 35C r M o钢，其加工工艺为锻造—粗加工—调质热 处理—精加工。为了到链轮传
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
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樊春明.等：某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因MATERIALS FO R MECHANICAL ENGINEERING
置处断裂，具体断裂位置如图1所示。
1.6势
图1链轮传动轴断裂位置及该位置的尺寸
Fig. 1Fracture kK'ation 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 必210 m m与0200 m m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。
(a)输入链轮侧（b)换挡齿轮侧
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A R T U S 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G B/T 3077 —2015中35C r M o钢的 成分要求。
表1失效链轮传动轴的化学成分(质量分数）
Table 1Chemical composition of failed chain wheel drive shaft (mass fraction)项目c Si Mn P S Cr Mo Ni Cu 测试值0.350.180.540.0130.0160.90.170.290.07标准值0.32 〜0.40.17 〜0.370.4 〜0.7<0.035<0.0350.8〜1.10.15 〜0.25<0.3<0.3 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#12. 5 m m X50 m m的拉伸试样和尺寸为
10 m m X10 m m X55 m m的夏比V型缺口冲击试
样。按照G B/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 m m*m i n1;
按照G B/T 229 —2007，采用手动摆锤式冲击试验
机进行一40°C冲击试验。采用H B-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
表2失效链轮传动轴的力学性能
Table 2 Mechanical properties of failed chain wheel
drive shaft
项目抗拉强度屈服强度断后伸长—40 °C冲硬度/ MPa MPa率/%击功/J HB
测试值6755552024229
技术要求值7005001727269〜302进行测试，载荷为7.35 k N，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。
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 M P a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 项目
挤压强度/静强度/刚度/挠度/
MPa MPa(〇).m_1mm
计算值444.37112.000.070.296
许用值714.29357.140.25 〜0.500.907
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MATERIALS FO R MECHANICAL
樊春明.等：某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因
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A x i o O b s e r v e r A l m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G B/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。
(a)低倍（b)高倍
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
(a)低倍（b)高倍
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 口边缘加工刀痕较粗，表面粗糙度i?a在1
2.5 p m以
采用S Z61-S E T型体视显微镜对失效链轮传动 上；断裂处的过渡圆角(暗区域)半径约为1.4 m m，轴断口边缘和过渡圆角处进行观察。由图5可知：断 断口（发亮区域)存在多次挤磨痕迹。
(a)断口边缘(b)过渡圆角处
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S S~550型扫描电子显微镜（S E M)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 靭窝组成；在拉伸和冲击断口上均发现偏聚成片的 夹杂物，用S E M附带的能谱仪分析可知，该夹杂物
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^机械工程材料
M ATERIALS FO R MECHANICAL ENGINEERING
樊春明，等：某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因
(a)拉伸断口，低倍（b)拉伸断口，高倍
(c)冲击断口，低倍（d)冲击断口，高倍
图6链轮传动轴的拉伸和冲击断口微观形貌
Fig.6Tensile (a—b) and impact (c —d) fracture micromorphology of chain wheel drive shaft: (a，c) at low magnification and
(b, d) at high magnification
为M nS。片状M nS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。M nS颗粒的尺寸越大，其对性能的影响越恶劣。
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 m m，未达到设计要求的2 m m;(2)传动轴断裂位置的表面粗糙度过大，兄大于12.5 pm，未达到设计要求的1.6 p m;
(3)通过力学计算，传动轴#210 m m与#200 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 H B，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M nS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#210 m m与#200 m m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M nS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 H B；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。
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