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  由壬断裂失效分析
 

刘 波 郑召斌 (胜利油田技术检测中心)

 

一、断裂由壬状态描述
由壬螺母于 2004 年7月开始使用,于 2006 年 12 月发生断裂,如图 1 所示。由壬型号相当于 SY/T5211-2003 中的YR70-3,即最大工作压力为 70MPa,公称通径为 76.2mm, 旋紧扭距为2400~3000 N·m。断裂发生在梯形螺纹第三扣处,为横向断裂。
断裂由壬
图1
由壬断裂处
图2
二、由壬断口分析
断口的宏观形貌如图3所示,宏观形貌呈典型疲劳断口形貌。断口右侧光滑,为裂纹扩展区,左侧粗糙为瞬断区,裂纹源位于右边耳附近内螺纹第三扣处根部。在交变应力的作用下,裂纹(光滑的断面)不断扩展,直到断面不足以承受压力的作用而发生突然断裂,断口形貌清晰可见。
断裂由壬的宏观形貌
图3 断裂由壬的宏观形貌
从断裂的由壬上切取金相试样时,发现螺纹起始端根部至外圆有一条穿透裂纹,切割后螺纹的一部分已断裂(如图4和图5所示)。将其从本体上取下,发现断口呈光滑圆弧状,也呈现疲劳断口型貌。由于断裂螺纹长度仅有约40mm,因此可以推断断裂是其原始缺陷造成的,也就是说螺纹根部有原始的微裂纹,在交变应力的作用下,裂纹不断扩展,直到穿透至外圆。
三、断裂由壬材质分析
1、化学成分
从由壬上取样进行材质分析,测得的各元素含量列于表1。
螺纹跟部的断裂
图4 螺纹跟部的断裂
断下的螺纹
图5 断下的螺纹
表1接箍材质的化学成分

元素 C Si Mo P S Cr Ni Mo Cu
测量值 0.414 0.214 0.953 0.009
0.024 1.049 0.098 0.248 0.146

从材质来看,应该是美国的钢号4140,类似于国产的 40CrMnMo,P、S等有害元素无超标现象。
2、金相组织
在失效由壬断裂面附近取样进行金相分析,分别测量晶粒度和组织形貌。其中晶粒度评定按 GB/T 6394 标准执行,显微组织分析按 GB/T 13298 标准执行。试验在 OLYMPUS 显微镜上观察并摄取,结果见表2和图4。
表2 金相分析结果

项目 组织外貌 晶粒度(级) 网带状组织
测量结果 索氏体 7.5 网状

经检测硬度值为HRC28。从图6可以看出,晶粒均匀,晶粒度小,说明组织正常。
由壬金相组织
图6 由壬金相组织
四、由壬断裂原因分析
从图 3 由壬的断裂面可以看出,由壬完全断裂快速突然,右侧裂纹源区及扩展源区颜色较深,说明裂纹是由裂纹源逐步扩展生长的,在交变载荷的作用下,挤压形成光滑表面。裂纹扩展到一定阶段,不足以承受外力的作用时,突然发生脆性断裂。断口可见撕裂脊,其余部位比较平整,且断裂后的表面呈现细瓷状,为出脆性断裂的特征。尽管断下的螺纹不在由壬螺母断裂部位,但可以证明由壬螺母的螺纹根部存在原始缺陷。
五、结论
由壬的化学成分、金相组织和硬度正常;螺纹根部的原始缺陷是由壬螺母断裂的重要原因。

 
 
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