某油田平板閘閥失效分析

賈 路，鄧 力，王 軍，史交齊，姬丙寅

1.中國石化西北油田分公司物資供應管理中心（新疆輪臺841600）

2.西安三維應力工程技術(shù)有限公司（陜西西安710075）

某油田平板閘閥失效分析

賈 路1，鄧 力1，王 軍2，史交齊2，姬丙寅2

1.中國石化西北油田分公司物資供應管理中心（新疆輪臺841600）

2.西安三維應力工程技術(shù)有限公司（陜西西安710075）

對某油田平板閘閥的外觀形貌、幾何尺寸、化學成分、顯微組織及力學性能等進行了分析，并結(jié)合平板閘閥的受力狀態(tài)對其開裂原因進行了研究。指出，閥門殼體底部存在的環(huán)形槽及焊縫處的焊接缺陷是導致事故發(fā)生的主要原因，材質(zhì)拉伸性能不合格及閥內(nèi)流體存在腐蝕性對閥底開裂具有一定的誘發(fā)和促進作用。

平板閘閥；開裂；腐蝕；縮孔

閘閥是輸氣站場中使用最為廣泛的裝置之一，其正常工作對于確保整個輸氣站場的安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)具有不可替代的作用[1-7]。某油田平板閘閥底板出現(xiàn)開裂事故，造成四聯(lián)外輸管道緊急停輸和原油泄漏，至事故發(fā)生時該闡閥使用壽命接近兩年。為了避免此類事故再次發(fā)生，現(xiàn)場取樣對其進行失效原因分析。

1 宏觀分析

1.1 宏觀形貌分析

閥門示意圖如圖1，底板工藝孔蓋板焊接在底板上（底板中部預留工藝孔），設計時為緊密配合，無環(huán)形槽。閘閥失效位置位于殼體底板，從外部可觀察到長約325mm的穿透性裂紋，裂紋向外側(cè)張裂（圖2），圖2中（b）和（c）中部圓形蓋板即為工藝孔蓋板。除開裂部位外，在閘閥殼體側(cè)壁可目測到一條長約170mm的縱向裂紋，經(jīng)后面切樣確認裂紋深度約19mm（占壁厚50%），如圖3所示。

1.2 幾何尺寸測量

采用超聲波測厚儀對閥門殼體壁厚進行測量，測量結(jié)果表明，閥門殼體壁厚為10.12～41.13mm，其中發(fā)現(xiàn)6個檢測點壁厚值（采用超聲波測厚儀，因該處有大量縮孔缺陷所致）明顯低于GB/T 12224-2005[8]《鋼制閥門一般要求》標準要求（內(nèi)徑400mm、公稱壓力6.3MPa時殼體最小壁厚≥22.6mm）。同時采用游標卡尺測量底板切塊截面的壁厚值，圖4是底板切塊截面的壁厚值分布圖（每隔10mm）。測量結(jié)果表明，底板切塊截面的壁厚值范圍為30.85～39.61mm（未考慮底板環(huán)形槽帶來的壁厚損失，且圖紙中未設計該環(huán)形槽），未能滿足設計要求值（40mm）。

圖1 閥門示意圖

1.3 無損探傷

對閘閥殼體側(cè)壁外表面進行磁粉探傷檢測，在靠近圓柱截交區(qū)發(fā)現(xiàn)了三條裂紋（白圈內(nèi)），如圖5所示。

圖2 閥底裂紋形貌（中心為工藝孔蓋板）

圖3 閥門殼體側(cè)壁裂紋形貌

圖4 底板切塊截面的壁厚值分布圖

圖5 磁粉探傷裂紋形貌

在宏觀分析的基礎上選擇有代表性的樣塊，對其進行切割處理。1#樣為閥門殼體側(cè)壁上有目視裂紋的樣塊（圖3）。2#樣為開裂的閥門殼體底板樣塊，閥門殼體底板失效裂紋處可觀察到一個圓形底蓋和3.24～4.47mm寬的環(huán)形槽（圖2），裂紋沿閥體工藝孔蓋板與底板的環(huán)焊縫處起裂，然后向兩端擴展。3#樣為閥門殼體側(cè)壁壁厚（采用超聲波測厚儀）波動較大樣塊，閥門殼體內(nèi)壁有大量腐蝕坑，其中3#樣塊內(nèi)部腐蝕坑最深達2.54mm，已超過2mm腐蝕裕量的設計要求。

從3#樣塊上取一個200×200mm的樣塊，對其內(nèi)、外表面進行打磨，然后利用X射線探傷機和超聲波探傷儀進行探傷。探傷結(jié)果表明，小樣塊內(nèi)含有較為嚴重的縮孔缺陷（參照ASTM E446-10[9]《Stan?dard reference radio graphs for steel castings up to 2in. (50.8mm)in thickness》標準已達到CB4級）。在開裂底板2#樣塊上取截面樣，也發(fā)現(xiàn)樣品截面上有嚴重的鑄造縮孔缺陷，最大孔洞寬約6mm，通過測量探入的細鐵絲長度，測得孔洞深約16.89mm，見圖6。

2 理化性能分析

2.1 化學成分分析

分別從1#、2#樣塊上取40×40mm化學分析樣品，并采用直讀光譜儀對樣品化學成分進行分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，樣品的化學成分及碳當量符合GB/T 12229-2005[10]《通用閥門碳素鋼鑄件技術(shù)條件》標準要求。

圖6 閥門殼體底板材質(zhì)缺陷

2.2 力學性能分析

分別從1#、2#及3#樣塊上取Φ20mm的棒狀拉伸試樣進行拉伸性能測試，試驗結(jié)果見表2。拉伸試驗結(jié)果表明，閥門殼體側(cè)面和底板的拉伸性能均不能滿足GB/T 12229-2005[9]《通用閥門碳素鋼鑄件技術(shù)條件》標準要求。1-1拉伸斷口形貌如圖7所示，從拉伸斷口可以看到大塊夾雜物。

表1 化學成分（wt%）

表2 拉伸試驗結(jié)果

圖7 拉伸斷口形貌

布氏硬度測量結(jié)果表明（圖8），焊縫處的布氏硬度值最高，工藝孔蓋板次之，底板基體的布氏硬度值最低，這說明焊縫處的性能與母材存在很大差異。

2.3 顯微組織分析

對1#樣塊的顯微組織進行分析，如圖9（a）和（b）所示。圖8（a）中的珠光體含量較多，此處檢測的顯微硬度值為182HV10。圖9（b）為1#樣塊正常組織（側(cè)壁大部分組織）的形貌圖，該區(qū)附近的鐵素體含量明顯較多，硬度為158HV10。2#樣塊顯微組織分析結(jié)果表明，焊縫中有夾渣，如圖9（c）及（d）所示。

圖8 布氏硬度測試點及示值

對焊縫區(qū)的形貌及產(chǎn)物進行掃描電鏡分析，焊縫區(qū)的形貌如圖10所示。能譜分析結(jié)果表明，圖10中深灰色填充物有Ti、Na、Mg、Al、Si、O等元素的特征譜峰，表明焊縫處有大量夾雜物，能譜分析見圖11。

圖9 閘閥殼體顯微組織形貌

圖10 焊接接頭截面背散射像

圖11 焊接接頭能譜分析

2.4 斷口分析

從圖12可以看到，焊縫處存在一條明顯的裂紋，裂紋起始于接縫端部，并沿焊縫與母材的邊緣（焊趾）擴展，使得底板的有效厚度進一步減小，其中標注處底板厚度為33.19mm，工藝孔蓋板厚度為31.40mm，拼接處底板厚度為21.66mm，焊縫高度（未考慮裂紋帶來的壁厚損失）約為11mm，未能滿足GB/T 12224-2005《鋼制閥門一般要求》標準[7]最小壁厚≥22.6mm的要求。

圖12 閥門殼體底板斷口形貌

3 分析討論

綜合以上分析，該平板閘閥底板工藝孔蓋板與底板上部（占壁厚62%）為拼接連接（未觀察到焊縫），存在3.24～4.47mm寬的環(huán)形槽，而且兩部分結(jié)構(gòu)同軸度存在較大偏差。蓋板下部通過單面焊接的方式與底板焊接而成，焊縫熔池的厚度約11mm左右，并且采用機械方式去除外表面的焊縫外露余高，這使得整個工藝孔蓋板下部與底板的有效連接厚度（即焊縫厚度）僅相當于底板厚度的33%，這相當于蓋板拼接處人為制造了一條大的環(huán)形缺口缺陷，而且焊縫區(qū)存在裂紋和夾雜物，這是導致事故發(fā)生的首要因素。

此外，由于焊縫和母材的成分、組織差異較大，腐蝕電位不同，閥門殼體底板與工藝孔蓋板之間的環(huán)形槽內(nèi)也容易積存流體，引起縫隙腐蝕或局部加速腐蝕。加上閥底拉伸性能不合格、承受的溫度較高（閥門通過的流體最高溫度為70℃）及閘板反復開關(guān)等導致的循環(huán)應力作用，最終導致閥底開裂。

4 結(jié)論

1）閥門的拉伸性能不符合標準要求、鑄造缺陷較多、焊縫處存在大塊夾雜物及裂紋，且閥底有效壁厚遠低于設計要求值。

2）閥門殼體底部存在環(huán)形槽及焊縫處存在焊接缺陷是導致事故發(fā)生的主要原因，材質(zhì)拉伸性能不合格以及閥內(nèi)流體存在腐蝕性對閥底開裂具有一定的誘發(fā)作用。

[1]魏云平.重介質(zhì)管路中平板閘閥的失效分析與結(jié)構(gòu)分析[D].天津：天津大學,2007.

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[8]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.鋼制閥門一般要求:GB/T 12224-2005 [S].北京:中國標準出版社,2005.

[9]American Society for Testing and Materials,Standard refer?ence radio graphs for steel castings up to 2in.(50.8mm)in thickness:ASTM E446-10[S].West Conshohocken：Ameri?can Society for Testing and Materials,2010.

[10]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.通用閥門碳素鋼鑄件技術(shù)條件:GB/ T 12229-2005[S].北京:中國標準出版社,2005.

Themorphology,geometricalsize,chemicalcomposition,microstructureandmechanicalpropertiesoftheflatgatevalvesofaoil?fieldwereanalyzed,andthecrackingcausesoftheflatgatevalvearestudiedaccordingtothestressstateoftheflatgatevalve.Itispointedout that,theannulargrooveandtheweldingdefectsatthebottomofthevalvebodyarethemaincausesleadingtothecracking,theunqualifiedma?terialtensile performance andthecorrosivityof thefluid in thevalvehasacertaininducingand promotingeffecton thecracking of the valve bottom.

flat gate valve；cracking；corrosion；shrinkage

賈強

2016-05-11

賈路（1984-），男，現(xiàn)從事石油裝備物資的質(zhì)量管理和技術(shù)管理工作。