采氣井口裝置主要零部件的失效分析

董堯

摘要：本文首先闡述了淺析高壓采氣井口裝置的功用，接著分析了井口裝置受損情況，最后對高壓采氣井口裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：井口裝置;閥門;閥板;上法蘭

引言：

國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)井口裝置已有二十多年的歷史，許多生產(chǎn)廠家對井口裝置的生產(chǎn)也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但井口裝置泄漏的事件還事有發(fā)生，使得生產(chǎn)現(xiàn)場隱藏安全環(huán)保隱患，所以對井口裝置主要零件失效原因的分析顯得尤為重要。

1淺析高壓采氣井口裝置的功用

從油田開發(fā)項(xiàng)目的實(shí)踐中可以清楚的看到，高壓采氣井口裝置的功用十分強(qiáng)大，它不僅可以應(yīng)對高壓氣流的突然侵襲，而且，該裝置作為控制井口壓力和調(diào)節(jié)油氣產(chǎn)量，并把油氣誘導(dǎo)到輸油氣管去，必要時(shí)還可以作應(yīng)急裝置來關(guān)門井口，其對于整個(gè)油氣資源開發(fā)項(xiàng)目的正常運(yùn)作是非常重要的也具備一定的保障作用，如可以利用鉆油管和井眼間的空間來進(jìn)行采氣減壓，可以在一定程度上阻止高壓風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。從現(xiàn)實(shí)的角度來看，研究高壓采氣井口裝置的功能以及在整個(gè)資源開發(fā)項(xiàng)目中的能效，有利于更好的研究該裝置的優(yōu)化策略，從而揚(yáng)長避短，將裝置的效能更好的發(fā)揮出來。

1閥門失效分析

常見的閥門損壞失效模式多為腐蝕、磨損以及密封件損壞老化。腐蝕主要包含上文分析的電化學(xué)腐蝕和硫化物應(yīng)力腐蝕;磨損的主要形式有腐蝕磨損、磨粒磨損、粘著磨損、沖蝕磨損。

失效的形式表現(xiàn)為多方面，其造成腐蝕失效的主要原因是：第一，介質(zhì)對過流表面的不均勻坑蝕;第二，介質(zhì)中的顆粒物以及腐蝕產(chǎn)物使閘板卡死;第三，電化學(xué)腐蝕，并且分布面積比較大以及沖蝕產(chǎn)生蝕槽;第四，閥桿于各零件連接處發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕，使閥桿長期使用后斷裂。

1.1降低閥門失效的措施

1）與介質(zhì)接觸表面，提高機(jī)加工表面粗糙度，減少腐蝕介質(zhì)的殘留。

2）閘板表面噴焊Ni60或噴涂WC-10Co-4Cr硬質(zhì)合金，加強(qiáng)表面耐磨性。

3）閘板材料選用馬氏體不銹鋼，在保證強(qiáng)度的情況下，加強(qiáng)耐腐蝕性。

4）閥桿材料宜選用318不銹鋼或性能更好的耐蝕合金，能抗硫化氫均勻腐蝕，抗硫化物應(yīng)力開裂。

2、閥板斷裂分析

2.1斷裂原因分析

（1）經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該閥板基體材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和縱向沖擊功均不符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。說明該閥板基體的強(qiáng)度和斷裂韌性均較低，在熱處理時(shí)工藝控制不當(dāng)，回火溫度和回火時(shí)間不能滿足技術(shù)要求。

（2）在噴涂過程中，噴涂材料的性能、噴涂工藝參數(shù)以及敷焊合金層材料與基體材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)的不同，會造成殘余應(yīng)力的大量存在。殘余應(yīng)力對敷焊合金層的厚度、質(zhì)量以及敷焊合金層構(gòu)件精度、尺寸穩(wěn)定性等方面有很大影響，是導(dǎo)致敷焊合金層開裂、剝落等失效形式的主要原因之一。

噴涂過程中，熔融的顆粒噴向基體表面時(shí)，在沖擊力的作用下，迅速擴(kuò)展為層狀結(jié)構(gòu)，后續(xù)的噴涂材料不斷疊加形成疊層結(jié)構(gòu)，在層狀結(jié)構(gòu)的界面處，存在大量的微觀缺陷。熔滴的快速凝固，導(dǎo)致冷卻過程中在層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成較大拉伸狀態(tài)的淬火殘余應(yīng)力。

（3）所有斷口都起源于閥板的Ni60敷焊合金層，裂紋擴(kuò)展至敷焊合金層與基體的界面時(shí)，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(jié)合力較弱，會形成界面裂紋，導(dǎo)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(jié)合力較強(qiáng)，該部位可以看做帶缺口的試件，基體在該部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致敷焊合金層裂紋貫穿界面進(jìn)入基體內(nèi)部直至斷裂。

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

（5）敷焊后保溫不當(dāng)導(dǎo)致合金層組織存在較多析出硬質(zhì)相。

2.2降低閥板斷裂的措施

1）采用12Cr13材質(zhì)的閥板熱處理工藝為一淬兩回，淬火溫度950℃～1050℃，保溫時(shí)間2小時(shí)和第一次回火溫度700℃～750℃，第一次保溫時(shí)間2.5小時(shí)保持不變，增加一道回火工藝，回火時(shí)間650℃～700℃，保溫時(shí)間2.5小時(shí)。在滿足延伸率和端面收縮率的情況下提高材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊功。

2）調(diào)整閥板敷焊Ni60的保溫溫度為700℃～750℃，保溫時(shí)間1.5小時(shí)，降低敷焊后的殘余應(yīng)力，減少合金層組織析出的硬質(zhì)相。

3、閥板噴涂層脫落及點(diǎn)蝕分析

3.1脫層原因及點(diǎn)蝕原因分析

采用噴涂WC-10Co-4Cr的閥板，涂層屬于物理結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度約71MPa，涂層晶間存在孔隙或極少數(shù)未熔顆粒，在高溫、高壓的腐蝕氣體和液體環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)會沿孔隙擴(kuò)散到基體與涂層的界面發(fā)生腐蝕，影響粘接強(qiáng)度，而涂層的腐蝕速率與粘結(jié)強(qiáng)度有直接的關(guān)系，腐蝕速率隨著結(jié)合強(qiáng)度的升高而降低，腐蝕的起點(diǎn)從局部腐蝕開始，點(diǎn)蝕形成坑蝕，涂層表面會起泡，甚至沿基體逐漸脫落。涂層的孔隙率大產(chǎn)生的滲透性缺陷是影響涂層服役條件和使用壽命的重要因素[。

3.2降低閥板噴涂層脫落的措施

由于涂層屬于物理結(jié)合，疏松碳化鎢顆粒在撞擊WC粒子容易分散，分布更均勻，這樣有利于降低涂層的孔隙率，減少腐蝕介質(zhì)從涂層擴(kuò)散到基體材料中，因此建議采用疏松的碳化鎢顆粒。

4、上法蘭開裂失效分析

4.1開裂失效原因分析

上法蘭尺寸較大，此類零件在鍛造后冷卻初期，法蘭表層溫度低于心部，表層收縮大，收到心部的阻礙，于是表層產(chǎn)生拉應(yīng)力而心部產(chǎn)生與其平衡的壓應(yīng)力。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行將發(fā)生這種變化：在冷卻初期表層的拉應(yīng)力得到較大的松弛，到了冷卻后期心部收縮對表層產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，使熱應(yīng)力方向發(fā)生改變，為表層壓應(yīng)力而心部拉應(yīng)力。

在淬火冷卻的后期上法蘭外層金屬已先于內(nèi)部冷至低溫，而這時(shí)上法蘭內(nèi)部的溫度仍然很高，繼續(xù)降溫時(shí)內(nèi)部必然產(chǎn)生體積收縮，從而受到外部的強(qiáng)烈阻礙，而在上法蘭中心部位產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處，因而開裂最容易在中心處形成;以及因溫度不同時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變所形成的組織應(yīng)力，容易使該上法蘭鍛件產(chǎn)生冷卻裂紋。

4.2降低上法蘭開裂的措施

建議通過更充分的鍛造工藝可以減輕混晶帶來的不利影響，采取砂冷的措施降低鍛造冷卻過程的冷卻速度。

結(jié)束語：

本論文以失效的閥門、斷裂失效與涂層剝落的閥板和開裂失效的上法蘭件為研究對象，通過理論分析和損傷零件的破壞分析，確定其失效機(jī)制，據(jù)此，可以合理地解決石油井口裝置在制造與使用過程中所出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象。

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