三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部的裂纹修复
摘要：文章介绍了2000型压裂泵车三缸压裂泵驱动齿轮的工作状况以及加强筋板根部出现裂纹的形态，分析了产生裂纹的主要因素，通过对齿轮材料化学成分分析，研究其焊接性能，确立合适的预热温度，后热处理方法，选择合适的焊接材料，制定焊接工艺措施，完成对三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部裂纹的修复。
关键词：三缸压裂泵驱动齿轮；筋板根部裂纹；焊接修复方法；焊后质量检验。
中图分类号：TE934文献标识码：A 文章编号：1009—2374（2012）01—0085—03。
在对外部市场返回的2000型压裂泵车进行维护保养过程中，维护人员发现三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部出现裂纹。由于这种全套压裂装备都是从美国进口的，更换齿轮的造价非常昂贵，所以选择对裂纹进行焊接修复。
一、裂纹分析。
经分析齿轮的材质为35CrMo钢，根据这种材质的焊接性能和裂纹出现的特殊部位来制定最优的焊接工艺路线就是研究的目的。在焊接过程中，裂纹是最严重的一种工艺缺陷。为提高焊接的工艺质量和焊件的使用寿命，克服焊接裂纹成为焊接技术中急需解决的首要问题。
产生原因：由于三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部焊缝焊接残余应力集中，而且齿轮在整个工作过程中承受的载荷过大，受力情况复杂，因此很容易会在此处产生脆性裂纹。
高强钢焊接时产生冷裂纹的三大因素是钢的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布和拘束应力的大小。而三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部焊缝热影响区产生裂纹的主要因素是焊缝的拘束应力、工艺顺序及坡口形式等。
二、焊接修复方法的选择。
经过对三缸压裂泵驱动齿轮的材质、裂纹产生的部位等方面的综合分析，我们决定选用手工电弧焊对裂纹进行修复。
（一）35CrMo钢焊接性分析。
钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，钢中的合金元素含量越高，成分越复杂，对可焊性的影响也越复杂，钢中加入的合金元素还能促使形成低熔点的物质，这些元素在焊接热循环的作用下，促使焊缝金属特别是热影响区出现各种不利组织，使性能变差并导致裂纹的产生。35CrMo钢的化学成分见表1：
国际焊接学会（ⅡW）推荐用于反映中、低合金钢淬硬和冷裂倾向的碳当量计算公式为：
Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15（%）。
根据公式可以计算出35CrMo钢的碳当量为0.70%。根据大量试验得知：当碳当量≤0.40%时，焊接时无淬硬倾向，可焊性良好；当碳当量在0.40%～0.50%范围内，淬硬倾向不太明显，可焊性尚可；当碳当量在0.50%～0.60%范围内，淬硬倾向逐渐显著，冷裂纹倾向随之增加，可焊性稍差；当碳当量≥0.60%时，属于高淬透性的钢，冷裂纹倾向更进一步增加，可焊性较差。由此可见，35CrMo钢的可焊性比较差，易产生冷裂纹。
（二）预热温度的选择。
预热不但能降低冷却速度，延缓800℃～500℃的冷却时间而避免马氏体转变，还能促使氢的逸出。正确地选择预热和加热温度，有助于改善焊接接头的组织性能和应力状态，降低焊缝和近焊缝区的含氢量，因此预热是防止冷裂纹最有效的工艺措施。
根据大量的实验证明：当Ceq<0.45％时，通常不需要预热；当Ceq=0.45％～0.60％时，需要预热，预热温度为100℃～200℃；当Ceq>0．60％时，需要预热200℃～370℃。
而35CrMo钢的Ceq=0.70％，因此需要预热。为了防止焊接热影响区裂纹的产生，将施焊部位均匀缓慢加热到250℃～300℃，保温1h。由于三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部焊后进行热处理受到限制，在不进行热处理的条件下，为减少内应力和改善焊层的性能，预热温度可以适当高一些。
（三）后热温度的选择。
如果焊后很快冷却至100℃以下氢来不及逸出便会造成严重的延迟裂纹。采用紧急后热使冷裂纹尚处于潜伏其中，扩散氢就能充分的由焊缝中逸出，并能减少残余应力和改善组织，对防止延迟裂纹的产生有显著效果。选用合适的后热温度，可适当降低预热温度和代替三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部焊接中间所需的热处理。
焊接后热可以降低焊缝和焊接接头冷却速度，促进氢的逸出，改善焊接接头性能，降低其硬度。根据碳当量公式计算如下：
Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15。
当Ceq<0.35%时，通常不需要后热；当CE>0.35%时，需要后热。而35CrMo钢的Ceq=0.70%，所以需要后热。堆焊完后应立即进行后热处理，后热温度不应太高，否则会影响三缸压裂泵驱动齿轮的性能，另外还应避开500℃～700℃，以免产生再热裂纹。因此，选择后热温度300℃～350℃，保温1h。
（四）焊接材料的选择。
35CrMo钢在焊接时，焊缝金属和母材强度相当时，韧性低于母材。由于含碳量高，热影响区及焊缝容易形成高碳马氏体，冷裂纹倾向严重，而且冷裂纹对焊接应力及扩散氢含量的敏感性大。由于母材溶入焊缝金属中的碳和合金元素增加，还可能会产生热裂纹。如果焊接材料选择不当，焊接接头还可能产生微裂纹，这些微裂纹就是焊后使用过程中的“潜在杀手”——延迟裂纹。所以，在整个焊接工艺中，根据母材成分和性能，正确合理地选择焊接材料对于保证焊接质量是至关重要的。
35CrMo钢是中碳调质钢，其焊接材料的选择应遵循以下基本原则：
（1）应该选用低碳合金系统的焊接材料并严格控制其S、P等杂质的含量，以减少各类裂纹的产。
生率。
（2）应选用低氢或或超低氢焊接材料，这对淬硬性极高的钢材避免氢致裂纹是绝对必要的。
（3）为防止过热区的脆化和冷裂纹的产生，焊后也不再进行调质热处理，所以应该尽量选择焊接材料的合金系统与母材的合金系统一致。
鉴于以上所述，我们选择直径为φ3.2的J606低氢钾型药皮的低合金高强度钢焊条。J606焊条用于焊接中碳钢及相应强度的低合金高强度钢结构。可以交直流两用，可以进行全位置焊接。交流施焊时，在性能稳定方面，稍次于直流焊接。
（五）焊接设备的选择。
为了避免冷裂纹的产生和减少热影响区的软化，焊接方法应该选用热量愈集中，能量密度愈大的方法愈有利，而且焊接线能量愈小愈好。结合现有设备和焊工情况，以及待焊区的位置，决定采用手工电弧焊。焊接设备选用直流弧焊机ZX5—400D，且采用熔化速度快，母材温升小，焊接电流、电弧电压稳定的直流反接法焊接，保证焊接过程稳定。
（六）工艺措施。
首先把三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部原来的焊层用铣床铣掉，并加工出双单边V型坡口。
图2 坡口形式。
1．清除坡口附近的铁锈、油污、水分等杂质。
2．焊条，预热至350℃烘焙1小时，在100℃温度下保温，随烘随用。直流反接。
3．制作专用磨具，用木炭均匀加热，将施焊部位均匀缓慢加热到250℃～300℃，适度掌握焊接。
速度。
4．多道焊，对称焊。
5．采用石灰保温300℃～350℃，将焊口全部覆盖达到保温缓冷作用。
三、焊后质量检验。
（一）外部缺陷的观察。
焊接接头的外部缺陷一般用肉眼就能观察到，主要有焊瘤、咬边、凹坑、烧伤、余高不足或过大、错边及弧坑处理不良等。经观察没有这些缺陷。
（二）内部缺陷检验。
焊接接头的内部缺陷必须借助仪器设备测试才能判断出的缺陷，主要有未熔合、未焊透、气孔、夹渣及白点等。内部缺陷因肉眼观察不到，危害更大，必须坚决杜绝。经X射线探伤，没有发现缺陷。
四、结论。
通过分析三缸压裂泵驱动齿轮的工作状况、裂纹产生的位置和形态，并结合其材质等各方面因素，采用了补焊的方法对三缸压裂泵驱动齿轮加强筋板根部的裂纹进行了修复，成功焊补了三缸压裂泵驱动齿轮三套。三台压裂车组现已重新开始工作，一年来在鄂尔多斯外部市场工作状况良好，提高了设备的使。
用率。
作者简介：吴小超（1976—），女，中国石化集团胜利石油管理局井下作业公司工程师，研究方向：机械、钻杆焊接、设备维修等。
（责任编辑：赵秀娟）。