緊急卸荷閥閥座的失效分析與改進(jìn)

馮玲

2in-105MPa緊急卸荷閥是油田固井、壓裂作業(yè)的重要設(shè)備，它主要配備在壓裂車、固井車、鉆井泥漿泵等高壓系統(tǒng)上。當(dāng)系統(tǒng)意外超壓時(shí)，它會(huì)自動(dòng)打開，立即釋放系統(tǒng)的壓力，以保證作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備的安全，在系統(tǒng)故障排除后，它又立即恢復(fù)到原態(tài)。

該產(chǎn)品是靠高精度鋼球和不銹鋼閥座進(jìn)行硬密封，為了保證作業(yè)設(shè)備的正常工作，要求該產(chǎn)品在設(shè)定工作壓力下要保證可靠密封，不允許有泄漏。因此，閥座是決定該產(chǎn)品質(zhì)量的最重要的零件。

1.閥座的失效情況

10臺(tái)壓裂車組在建南新店2井酸化壓裂過(guò)程中，緊急缷荷閥有5件完全失效。拆開4件后發(fā)現(xiàn)，緊急缷荷閥閥座出現(xiàn)裂紋。另外，返廠的6件緊急缷荷閥，拆開后發(fā)現(xiàn)，5件緊急缷荷閥閥座完全裂開。閥座大多成三片對(duì)稱開裂，如圖1所示。

2.閥座的斷口形貌

從斷口形貌來(lái)看，大多數(shù)斷口表面上沒有疲勞裂紋，沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，成脆性開裂，裂紋的走向基本上與所受的應(yīng)力相垂直，且具有強(qiáng)烈的方向性，如圖2所示。經(jīng)分析，認(rèn)為閥座失效是應(yīng)力腐蝕所致開裂。

3.原因分析

閥座材料為30Cr13，系馬氏體不銹鋼，熱處理后的硬度為50～55HRC，閥座內(nèi)應(yīng)力較大。

在作業(yè)過(guò)程中，閥座同時(shí)還承受著較大的預(yù)緊力。

在酸化壓裂過(guò)程中，常用的酸化壓裂液為鹽酸或土酸，鹽酸的含量最高可達(dá)28%。當(dāng)閥座與高壓流體中鹽酸或土酸接觸時(shí)，鹽酸中的Cl-破壞了不銹鋼表面的鈍化膜，在閥座表面腐蝕敏感部位形成微小坑陷，坑陷在酸液和內(nèi)外應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生微觀裂紋。當(dāng)鹽酸滲入裂縫尖端，氫離子在尖端析出，滲入裂紋前緣，使金屬脆化。

裂紋在腐蝕和脆斷以及應(yīng)力的反復(fù)作用下迅速前進(jìn)，最終腐蝕開裂，出現(xiàn)低于抗拉強(qiáng)度的脆性開裂現(xiàn)象。不銹鋼的應(yīng)力腐蝕其隱蔽性和危害性遠(yuǎn)大于其他腐蝕，往往會(huì)造成重大的工程事故。

4.防止應(yīng)力腐蝕的方法

（1）在加工制造過(guò)程中，采取必要的措施以減少殘余應(yīng)力。

（2）選擇合適的閥座材料，在提高閥座心部韌性的同時(shí)，對(duì)閥座進(jìn)行表面改性處理，使閥座表面生成一層非晶態(tài)耐蝕合金，從而提高閥座的耐蝕性能。

5.改進(jìn)措施及效果

由于鹽酸具有強(qiáng)還原性，因此鹽酸的腐蝕問(wèn)題一直困擾著科研人員。盡管哈氏合金等能較好地抵抗鹽酸的腐蝕，但其價(jià)格極其昂貴，難以大規(guī)模推廣，一般不銹鋼在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)則常常作用不大，鎳磷合金是解決這一問(wèn)題的較好途徑之一。

鎳磷合金化學(xué)鍍層屬非晶態(tài)鍍層，非晶態(tài)合金不存在晶界、偏析等晶體缺陷，具有均一的鈍化膜，同時(shí)非晶態(tài)合金本身的高反應(yīng)活性，能快速形成鈍化膜，從而使其具有較高的耐蝕性。

（1）改進(jìn)方案 閥座材料采用12Cr13，調(diào)質(zhì)處理，閥座表面鎳磷化學(xué)鍍硬度達(dá)到27～31HRC。

圖1 閥座開裂

（2）驗(yàn)證方法 將表面進(jìn)行鎳磷化學(xué)鍍的閥座和沒有鎳磷化學(xué)鍍的閥座同時(shí)浸泡在酸化壓裂液（28%HCl）中，浸泡72h后，未鎳磷化學(xué)鍍的閥座表面成蜂窩狀（見圖3），而進(jìn)行鎳磷化學(xué)鍍的閥座表面沒有腐蝕坑（見圖4）。

圖2 閥座斷口形貌

圖3 未鎳磷化學(xué)鍍閥座

圖4 鎳磷化學(xué)鍍閥座