非常规油气开采压裂施工致使高压管汇公由壬端的失效，怎么解决？

作者：谭爱芳，冯玲

单位：中石化石油工程机械有限公司第四机械厂

来源：《金属加工（热加工）》杂志

PART.1

序言

高压管汇作为超大功率成套压裂装备的配套件，其作用是将高压泵排出的高压压裂液输送到井位。高压管汇主要由各种阀体、直管和活动弯头组成，零部件相互之间的联接基本靠零件上的公母由壬端部，高压管汇的寿命直接决定了油气开采作业效率和经济效益。

目前，我国非常规油气开发要求大排量压裂施工作业，不仅压力高，作业时间长，而且排量大，作业工况相当恶劣。因此在油田压裂施工作业过程中，高压管汇公由壬端需承受着压裂泵排出的超高压、大排量的压裂液带来的不规则、多方向的巨大脉冲力。

自2014年我国开启大型油气田及煤层气开发以来，面对如此恶劣的工况，高压管汇公由壬端在使用过程中失效的情况时有发生，其寿命较常规压裂施工作业明显低很多。为此，几年来我们不断地进行分析和改进。一方面分析产品失效机理，查找失效原因；另一方面，从材料和力学性能着手，提升产品的综合力学性能，探究改进措施，优化产品结构，提高产品的破断抗力，最终延长了产品的使用寿命。

PART.2

公由壬端失效形式

2.1 公由壬端的联接方式及其失效形式

高压管汇零部件之间的联接如图1所示。几年来，在页岩气开采过程中，产品公由壬端的失效形式如图2所示。

2.2　分析与检测 

（1）性能检测

按相关标准要求，在失效产品上切取纵向试样，其中拉伸试样1件，冲击试样3件，检测结果见表1，产品的冲击性能不满足设计要求。

（2）宏观断口形貌

裂纹出现在公由壬端结构突变处，沿图2白线处取下断口，发现裂纹自台阶处由外往内延伸，失效部位裂纹扩展如图3所示，断口 形貌如图4所示。从图4可见，断口上有锈蚀，但没有明显腐蚀现象，属于拉压疲劳断裂，裂纹萌生源在管壁外部，属多源疲劳裂纹。

（3）微观组织

裂纹附近金相组织为回火索氏体+粒状渗碳体，如图5所示。

裂纹源不止一处，外圆弧有多处裂纹源，选取其中之一进行观察，可看到主要是呈现韧窝状，表面有氧化现象，如图6所示。沿着裂纹源往下延伸继续观察，可以看到仍然呈现出韧窝状。继续往下延伸，可看到沿晶断裂形貌，表面有明显氧化，如图7所示。

PART.3

理论分析与探究

3.1 材料的力学性能

从材料的力学性能看，产品的冲击性能不足，而硬度有余。过高的硬度，会让产品内部极易萌生微裂纹。有研究表明，金属的疲劳极限与抗拉强度呈近似线性关系，金属的极限抗拉强度和硬度之间也存在一种关系。抗拉强度和硬度越高，金属构件承受较高的波动载荷时，越容易发生疲劳失效。金属疲劳机理的普遍解释是基于位错理论。理论上讲，金属晶体中的原子排列是不完善的，并且含有许多缺失的原子。缺失的原子会产生间隙，从而 造成大量的应力提升。当金属被加载时，应力升高的间隙通过晶粒剪切并聚集在一起，当足够的原子间隙聚集在一起时，会萌生微观裂纹。另外，金属结构材料多数为多晶体，晶粒内的滑移是由沿着晶面移动的位错造成的，这样就使一个晶粒内出现一个或几个滑移面。随着循环载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变粗，形成滑移带。继续循环加载，裂纹沿滑移带方向扩展，如果

载荷增加，则初始裂纹张开。当负载在金属负载极限附近从最小值波动到最大值，则新的微观裂纹从第一微裂纹的位置扩展，每个裂纹都成为下一个裂纹的应力提升器。继续发展，直到剩下的金属不再承受负载，就会突然失效。

3.2　产品结构及其受力 

首先，单纯从产品结构上看，公由壬端结构发 生突变，并且存在圆弧过渡。通过应力云图分析受 力，公由壬端轴肩根部附近存在应力集中，当屈服 强度为930MPa，轴间圆弧为R0.8mm时，公由壬轴 肩最大内应力为806.0MPa；同样的屈服强度，当 轴间圆弧为R1.2mm时，公由壬轴肩最大内应力为 753.90MPa，应力下降50MPa。如图8、图9所示。

其次，产品配合不当，使产品受力不均，造成应力集中。此应力集中源自以下两个方面：

1）由图10和图11可知，三瓣挡圈的内圆弧 φ107mm，产品公由壬端的外圆弧φ103mm，二者 配合尺寸不一，也就是挡圈内圆弧与公由壬端的外 圆弧的圆弧面不在同一个圆上，当两者配合在一起 时，接触面积较少，当产品承受巨大的高压流体多向冲击力时，公由壬端轴肩受力不均，局部区域承受较高应力。

2）当高压流体流过时，一方面由于橡胶密封圈的缓冲，公由壬端面会产生微量的位移；另一方面，挡圈和翼型螺母对公由壬轴肩的固定约束，迫 使来自压裂泵中不均匀的流量波动瞬时全部作用于 公由壬端台阶处，极易造成应力集中。

PART.4

改进措施

4.1 优化材料

选择优良的抗疲劳材料，这是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素。为此在选材方面，除了尽量提高材料纯净度，细化晶粒及选择最佳的组织状态外，还要注重强度、塑性和韧性的合理匹配。采用强韧性更好的材料，提高材料的综合力学性能。Ni或Mo能有效地提高材料的强韧性及疲劳极限。这是因为，合金元素在钢中的作用主要是通过提高钢的淬透性和细化晶粒、改善钢的强韧性来影响疲劳强度的。提高原材料的纯净度，降低夹杂物的含量，以达到改善产品力学性能的目的，为了提高材料冲击韧度，我们降低了材料中的含碳量，从而达到降低应力腐蚀破裂的敏感性。在低合金钢中增添Ni元素，不但细化组织，而且当Ni溶于奥氏体和铁素体时能强化组织，稳定奥氏体，降低相变温度，增加淬透性，改善铁素体的低温韧性，从而降低脆性转变温度。

4.2　使金属流线沿锻件的轮廓连续分布 

合理设计产品的锻造工艺，良好的锻造比，可以细化晶粒，改善组织，提高产品力学性能。同时，锻造流线的分布应贯穿于整个锻件制造过程中，好的锻造流线对产品的寿命是至关重要的，锻件流线分布形态的好坏对锻件的质量有重要影响，因此应使锻件流线的主要方向与零件主要受力方向一致，避免金属流线末端外露。有研究表明，金属纤维与工作表面平行为最好，与工作表面所呈的角度越大越不好，垂直于工作表面为最差。当工作 时的最大正应力与流线方向一致，切应力方向与流线方向垂直，且流线沿零件轮廓分布不被切断时，能够明显提高产口的使用寿命，应尽量保证公由壬台阶处金属流线的完整性。

4.3　优化产品结构 

（1）加大过渡圆弧半径

应力集中的作用直接与其半径的大小有关。应力发生位置的半径越小，产生的应力集中越大，我们将圆弧由原来的R0.8mm更改为R2mm。

（2）减少产品壁厚差

为了更好地提高产品的寿命，我们在加大圆弧角度的同时，增加公由壬端 台阶处的壁厚，尽量减小壁厚差；同时，改直角为 钝角，如图12所示。

（3）增大挡圈与公由壬端的接触面积

更改挡圈的内径尺寸，使挡圈内径尺寸与公由壬端外圆柱 尺寸一致，均为φ103mm，保证挡圈内径及台阶与公由壬端轴肩的契合度，这样才能尽可能地增大公由壬端的接触受力面积，避免应力过度集中，如图13所示。

4.4　减小过渡圆弧的表面粗糙度值，使加工表面尽可能光滑 

为了提高产品的疲劳抗力，用细砂布抛光公由壬端与挡圈的接触面。为了降低过渡圆弧的表面粗糙度值，先用普通刀具加工R弧，再用豪克能刀

具代替原普通刀具精加工一遍，这样可使R弧表面粗糙度提高3级以上（粗糙度Ra值轻松达到0.2μm以下），工件的表面显微硬度提高20%以上。这样不仅在圆弧表面形成一定的压应力，而且大大提高了变截面R弧处的疲劳抗力。

PART.5

结束语 

1）通过合理选材，确保产品强度和韧性的匹配，达到提高疲劳抗力的目的。

2）更新产品制造工艺，采用锻造的方法，保证产品关键受力部位金属流线的完整性，从而提高产品的疲劳抗力。

3）优化产品结构，降低产品表面粗糙度值，可以大大提高疲劳抗力。