注水泵与输油泵安全阀弹簧断裂失效分析

曹海平，顾涛，王晶，吕文成

中国石油长庆油田分公司技术监测中心（陕西西安 710018）

0 引言

安全阀是输油管线上的重要安全部件，其有效性及可靠性直接影响输油安全[1-3]。长庆油田技术监测中心主要从事油田在用安全阀的定期校验工作，2022 年共校验各类安全阀21 872 只，校验不合格安全阀713只，其中密封面腐蚀损伤654只，弹簧断裂18 只，定压不稳及其他原因41 只。密封面腐蚀损伤是安全阀常见的失效形式，弹簧断裂原因较多，主要是由于疲劳、腐蚀及塑性变形引起[4-5]。进一步分析发现，弹簧断裂的18只安全阀全部集中在螺杆式输油泵和往复式注水泵这两种设备上。

针对此现象，为确定弹簧断裂的深层原因，对2022 年校验中发现的输油泵和注水泵上断裂的弹簧进行了取样分析，样品参数见表1，弹簧断裂部位如图1所示。

图1 断裂弹簧部位图

表1 泵和安全阀基本参数

1 检验与分析

1.1 断口宏观分析

从图1可以看出，两个弹簧的断裂处均靠近固定端第2 圈，也就是阀芯部位。图1（a）中输油泵弹簧断裂成两节，表面乌黑，保持金属本色，将弹簧断口对接还原后，发现弹簧间距存在差异，且有错位迹象，目视发现有裂纹存在，外表面有磕碰痕迹。图1（b）中注水泵弹簧断裂成3节，表面有轻微锈蚀，可能是水泄漏造成。

从图2 可看出，两个弹簧断口表面齐整，没有明显塑性变形。断口端面与横截面成30°～45°的夹角，断裂部位从内弧面向外弧面呈放射状扩展，至外端撕裂。根据残留下的断口形貌，可判断断口有两种类型，一类为瞬断脆性冲击断口，另一类为疲劳辉纹断口。

图2 弹簧断口形貌

1.2 断口金相分析

分别截取输油泵和注水泵断裂弹簧断口附近的材料，经粗磨、精磨、抛光和用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，置于金相显微镜下观察。弹簧中的夹杂物会破坏材料的连续性，尺寸较大的碳化物颗粒会增加材料的脆性[6]。而其低倍微观组织如图3 所示，没有晶粒粗大或疏松、偏析、气泡、夹杂、裂纹等缺陷存在。高倍组织如图4 所示，金相组织为回火屈氏体，组织均匀并有一定马氏体位相，没有发现未融溶碳化物或粗大魏氏体组织，说明组织为正常金相组织。

图3 弹簧端面低倍微观组织

图4 弹簧端面高倍微观组织

1.3 断口材质分析

1.3.1 化学成分分析

分别钻取输油泵断裂弹簧和注水泵断裂弹簧断口附近和远离断口处的材料粉末，混合后进行化学成分分析，分析结果见表2。根据表2 可知，其化学成分与50CrVA比较相似，硫、磷杂质元素含量符合优质钢要求（≤0.035%），选用材料也是弹簧的常用材料，说明弹簧材料符合要求，不会对其断裂产生不利影响。

表2 弹簧材料化学成分分析结果 %

1.3.2 硬度测定

对输油泵断裂弹簧和注水泵断裂弹簧断面用600MRD-L 洛氏硬度计测试，其中输油泵弹簧断面的HRC 硬度为46.5、47.2、46.7、48.2、49.3，平均HRC硬度为47.6。注水泵弹簧断面的HRC 硬度为45.5、46.3、46.9、47.5、48.7，平 均HRC 硬 度 为47.0，在50CrVA弹簧的推荐硬度HRC45～50范围内[8]，说明弹簧的硬度符合标准。

1.4 断口扫描电镜分析

使用线切割机切取输油泵和注水泵弹簧断口样品，用软毛刷浸蘸甲醛液清洗断口面，吹干后放入无水酒精中洗净吹干，然后进行扫描电镜分析（SEM），如图5所示。

图5 弹簧断口宏观SEM图

由图5 可以看出，红色框线处存在疲劳贝壳线以及疲劳裂纹扩展区。疲劳裂纹源区平坦，裂纹细小且扩展缓慢；扩展区裂纹呈放射状发展,有明显的放射花样及人字纹；瞬断区粗糙，高倍电镜下显示为穿晶瞬断。断裂疲劳源位于并圈处，疲劳源区较小，扩展区较大，具有静载断口特点。

断口低倍、高倍微观组织分析，如图6 所示，微观组织分析存在明暗相间的条状花样，即存在疲劳辉纹，符合疲劳断裂的断口微观形貌特征[9-12]，基本可以确认弹簧失效为疲劳断裂。

图6 弹簧断口微观形貌SEM图

1.5 断口能谱分析

为确定输油泵和注水泵安全阀弹簧断口表面腐蚀产物，对断口进行能谱分析（EDS）。将断口用酒精和丙酮超声清洗20 min，吹干并研磨，保证其颗粒度一致，能谱分析结果如图7所示，从图7可以看出，弹簧断口表面腐蚀产物由C、Cr、Mn、Fe 等元素组成，主要以Fe 元素为主，输油泵安全阀弹簧腐蚀产物物相主要为FeCr2O4、Fe2O3，注水泵安全阀弹簧腐蚀产物物相主要为FeCr2O4、Fe3O4，如图8所示，注水泵弹簧中有氧元素，说明介质泄漏后弹簧表面存在氧腐蚀，但从弹簧外观看腐蚀较轻微，并不是断裂的主要原因，可以排除应力腐蚀的可能。

图7 弹簧断口能谱分析图

图8 弹簧断口腐蚀产物分析图

2 断裂原因分析

2.1 疲劳环境分析

油田输油泵和注水泵大多属于容积式柱塞泵[13]，泵的排出压力是由管路的阻力决定，只要泵的强度足够大，可认为泵的排出压力不受限制。如果输出管路上的排出阀关闭或部分关闭、排出管路堵塞，将造成泵超压运行，时间越长泵压越高，导致安全阀瞬时开启。另外，泵在运行过中流量不稳定，压力波动较大，振动也大，如果安全阀整定压力接近泵的工作压力、运输安装过程中由于振动导致安全阀整定压力发生变化、安全阀泄放过程中阻力太大等，都将造成安全阀频繁起跳或颤振，如不能及时发现或调整，都将使安全阀产生交变载荷。随着安全阀的反复开启，在交变应力作用下，弹簧发生疲劳裂纹，随着安全阀使用时间的增加，裂纹沿着断口面扩展，形成了贝壳线，最终导致弹簧的失效断裂。

2.2 弹簧受力分析

安全阀所用弹簧属于圆柱形螺旋压缩弹簧,当其受到轴向载荷时,弹簧的任意横截面所受的切应力在弹簧内侧受力最大,外侧受力最小,因此弹簧的失效大多数都是从弹簧内侧开始。当弹簧工作时,由于不断受到介质的冲击载荷和弹簧的弹力作用,弹簧将产生交变应力，裂纹萌生后，弹簧内侧边缘处发生应力集中，不仅改变了力的分布状态，同时也改变了裂纹扩展方向，裂纹尖端承受拉应力，由于交变应力的存在促使了弹簧的断裂。弹簧处于频繁跳动状态，介质产生较大冲击速度，弹簧前三圈首先承受冲击载荷[14]，吸收较多的冲击能量，又不能迅速有效地将冲击载荷传递给后面的弹簧圈，因而弹簧断裂最容易在前三圈产生塑性变形进而失效，从图1中弹簧的断裂位置也可以看出大多位于第二、三圈。

2.3 运行工况分析

对于容积式柱塞泵，泵在运行时管线内液体流量不均匀，压力波动较大。由于泵吸入、排出的间隙性，使液流压力和速度成周期性变化，造成压力波在管内迅速传递，导致进出口管线在轴向和径向产生周期性位移，从而引起进出口管线振动，安全阀同样也发生振动，由于压力的波动存在也会导致安全阀频繁开启，弹簧将受到交变应力。另外，安装在泵出口管线上的安全阀的弹簧在旋紧状态下工作，大大增加了基体的内应力，使弹簧的内应力增高[15]。当介质的压力大于弹簧的弹力时，弹簧受到压缩，安全阀开启。安全阀开启后弹簧所承受的外力随着介质压力的变化而变化，使弹簧在低周交变应力状态下工作，这就为弹簧的疲劳失效创造了条件。

3 结论及建议

综上所述，注水泵和输油泵容积周期性变化产生流量脉动，造成排量不均衡、压力不稳定，产生振动，导致安全阀频繁开启和关闭，泄放管处于封闭状态，安全阀开启又不能及时发现和处理，使弹簧在工作过程中不断受交变载荷的作用，长期使用后产生疲劳，并萌生疲劳裂纹，随着裂纹的进一步扩展，最终导致弹簧在最薄弱处疲劳断裂。由此提出如下结论及建议：

1）注水泵和输油泵上服役的弹簧A、B 失效形式为疲劳断裂，疲劳断裂致使系统内介质的压力在安全阀内产生巨大的瞬间冲击力，又进一步导致弹簧发生脆性冲击断裂。

2）建议在系统条件允许的情况下适当提高安全阀的开启压力，降低泵的振动频次，避免安全阀频繁起跳。

3）泵在启停过程中应严格执行操作规程，安全阀定期校验过程中应重点检查弹簧的第二、三圈是否存在裂纹类缺陷，必要时对弹簧进行表面探伤，防止安全阀弹簧疲劳失效发生事故。