平板閥敷焊合金閥板斷裂原因分析

薛繼軍

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安710065）

2011年12月1日，某井安裝防噴器組，轉入氮氣鉆井施工準備。12月10日至15日，采用氮氣鉆進至井深4811.38 m.12月15日至19日進行中途測試。12月20日，進行泥漿壓井、鉆進。2012年1月16日，臨時完井作業。1月17日，現場全套井控裝備（包括多功能四通主密封）試壓105 MPa合格。之后，為了更好的總結評價井控裝備的可靠性，優化氮氣鉆井井控裝備配套方案，確保井控安全，對于井口裝備進行了系統的檢測分析。在檢測中發現多功能四通側出口兩個平板閥閥板在通孔處斷裂，為弄清斷裂原因，對該閥板進行失效分析。

1 宏觀形貌

斷裂閥板基體材料為1Cr13，通過熱噴焊方式在閥板基體上敷焊了一層Ni60合金層。經宏觀分析，1#閥板斷口有沖蝕現象，通孔四周存在較多徑向裂紋，且起源于通孔內壁；2#閥板斷口未發現沖蝕現象，通孔四周也存在較多徑向裂紋，這些裂紋都起源于通孔外壁，且有剝落現象。

測量閥板敷焊合金層的厚度，結果如表1所示。從表1可以看出：閥板敷焊合金層的厚度不均勻，最厚處為1.72mm，最薄處為0.29mm.

表1 閥板敷焊合金層厚度測量結果

2 試驗分析

2.1 理化檢驗

在閥板基體上取樣，依據GB/T 4336-2002標準使用ARL3460直讀光譜儀檢測閥板基體材料的化學成分，結果如表2所示。由表2知閥板基體材料化學成分符合廠家技術要求。

表2 閥板基體材料化學成分分析結果（w t.%）

依據APISPEC 6A規定，在斷裂閥板的底部和上半部位置處分別取樣進行拉伸、沖擊試驗。拉伸試驗采用縱向棒狀試樣，標距內直徑為φ6.25 mm.沖擊試驗采用縱向夏比沖擊試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm.試驗結果如表3所示。分別對敷焊合金層和基體進行硬度試驗，試驗結果如表4所示。試驗結果表明該閥板材料的抗拉強度、屈服強度和沖擊值不符合要求，延伸率、斷面收縮率和硬度值符合要求。

表3 拉伸和沖擊性能試驗結果

表4 硬度試驗結果

2.2 SEM斷口分析

在斷口附近切取金相試樣進行組織分析。敷焊合金層顯微組織為鎳基固溶體和硬質相；界面處為一條白亮帶，這一白亮帶是敷焊合金層與基體組織相互擴散的結果，在白亮帶內存在氣孔（見圖1）；基體顯微組織為回火索氏體。掃描電子顯微鏡下觀察Ni60敷焊合金層（如圖2），可以看出Ni60敷焊合金層鎳基固溶體中存在較多析出相。由能譜分析可知，這些相為富鉻析出相。

圖1 敷焊合金層和基體界面金相組織圖

圖2 Ni60敷焊合金層金相組織形貌

2.3 斷口宏觀分析

用丙酮清洗斷裂閥板，發現1#閥板、2#閥板敷焊合金層都存在大量裂紋，如圖3所示。1#閥板敷焊合金層的裂紋起源于通孔內壁，2#閥板敷焊合金層的裂紋起源于通孔外壁。閥板通孔兩側截面積最小，因此，該處所承受的拉應力最大，這也正是1#、2#閥板在這個位置斷裂的原因。

圖3 閥板表面敷焊合金層裂紋形貌

2.4 斷口微觀分析

在閥板撕裂棱的近表面處沿軸向切取金相試樣，發現存在裂紋，其走向及其周圍組織形貌如圖4所示。從圖中可以發現敷焊合金層中存在兩條裂紋，其中一條已貫穿到基體內部，另一條擴展到敷焊合金層和基體的界面形成界面裂紋。

圖4 敷焊合金層裂紋形貌

在1#和2#閥板斷口上取樣分析斷口微觀形貌，如表5所示。從表中可以看出，1#閥板裂紋起源于敷焊合金層，擴展區為解理花樣特征。2#閥板裂紋也起源于敷焊合金層，源區存在許多小刻面，擴展區為沿晶特征，最終斷裂區為解理特征。

表5 1#和2#閥板斷口微觀形貌

3 討論及建議

根據上述試驗結果，發現所有裂紋均起源于閥板表面的Ni60敷焊合金層，采用金相和掃描電鏡手段對裂紋性質進行分析，判定1#、2#閥板斷口斷裂機理為脆性斷裂[1]。現結合試驗結果對裂紋形成原因進行分析，其過程如下：

（1）經力學性能試驗，發現該閥板材料的抗拉強度、屈服強度和縱向沖擊功均不符合廠家技術要求。說明該閥板的強度和斷裂韌性均較低。

（2）在熱噴焊過程中，噴焊材料的性能、噴焊工藝參數以及敷焊合金層材料與基體材料的線膨脹系數和彈性模量等參數的不同，會造成殘余應力的大量存在。殘余應力對敷焊合金層的厚度、質量以及敷焊合金層構件精度、尺寸穩定性等方面有很大影響，是導致敷焊合金層開裂、剝落等失效形式的主要原因之一。

噴焊過程中，熔融的顆粒在噴向基體表面時，在沖擊力的作用下[2]，迅速擴展為層狀結構，后續的噴涂材料不斷疊加形成疊層結構，在層狀結構的界面處，存在大量的微觀缺陷。熔滴的快速凝固，導致冷卻過程中在層狀結構內部形成較大拉伸狀態的淬火殘余應力。

當敷焊合金層由高溫冷卻到常溫時，敷焊合金層與基體線膨脹系數的不同產生較大的失配應力，即熱應力。由于Ni60敷焊合金層的線膨脹系數比基體材料1Cr13大，當敷焊合金層由高溫冷卻到常溫時，敷焊合金層會較基體快速收縮，敷焊合金層內會產生一定的拉應力[3]。

（3）所有斷口都起源于閥板的Ni60敷焊合金層，裂紋擴展至敷焊合金層與基體的界面時，分兩種情況來考慮：若界面存在大量的微觀缺陷，敷焊合金層與基體的結合力較弱，會形成界面裂紋，導致敷焊合金層與界面分層，甚至剝落；若界面微觀缺陷較少，敷焊合金層與基體的結合力較強，該部位可以看作帶缺口的試件，基體在該部位會產生應力集中，導致敷焊合金層裂紋貫穿界面進入基體內部直至斷裂。

（4）在敷焊合金層內存在較多析出硬質相，合金層與基體界面處又存在微觀缺陷（氣孔、縮孔）。高速流體對閥板通孔的內壓引起合金層存在張應力，與合金層內殘余應力疊加，在硬質相和微觀缺陷部位產生應力集中，導致敷焊合金層產生了裂紋[4]。基體材料的沖擊韌性較低，其臨界裂紋擴展阻力較小，裂紋擴展至合金層與基體界面易于貫穿到基體內，引起閥板斷裂。

（5）熱處理工藝不當導致合金層組織存在較多析出硬質相，應改進熱處理工藝[5]。

4 結束語

（1）失效閥板的抗拉強度、屈服強度和沖擊功均不符合技術要求，材質不合格是導致閥板斷裂的主要原因。

（2）所送閥板敷焊合金層組織存在較多硬質相，界面附近存在氣孔和縮孔，引起合金層出現裂紋。基體材料沖擊韌性較低，使裂紋較容易擴展延伸至基體內部，從而發生斷裂，所以不合理的熱處理工藝是導致閥板失效的另一個原因。

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