石油井口裝置關鍵部件失效機理研究

陸海寧，馬亮，雷月鑫

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧 盤錦 124010）

1 石油井口裝置的關鍵部件

組成石油井口的關鍵部件包括套管四通本體、套管頭本體、油管頭本體、套管懸掛器、上法蘭、油管懸掛器、閥蓋、閥體、閥座、閥板、閥桿等，以上的部件都要經過一到五道的熱處理來完成。對于機械零件來說，不管任何零件關注的都是設計上合理與否，選材上在力學上是否能使設計達到滿足。如果結構設計合理，力學性能也符合要求，那么就要看材料的工藝控制方面能否達到規范要求，當然，最重要的要屬熱處理。對于金屬零部件的內部質量和機械設備壽命是否能夠延長，起著關鍵作用的是熱處理。所以，要想使石油井口裝置的使用年限和質量得到一定的保證，就必須通過失效分析在熱處理過程中和后續加工時出現的問題，對形成的機理以及失效的原因進行分析，通過對質量控制計劃和工藝操作的流程進行合理的制定和研究，在選材、零件裝配和檢驗、冷熱加工上進行嚴格控制，這些做法能使石油井口裝置使命壽命延長，安全性得以提高，產品不良率得到降低，并且能得到經驗上的積累，同時，能使國內石油井口的制造水平得到提高，經濟價值非常高。

2 閥板斷裂分析

2.1 斷裂原因分析

（1）通過力學性能實驗發現，閥板基體材料在屈服強度、抗拉強度以及縱向沖擊功方面都達不到標準技術要求。這種情況說明了閥板不論是在強度上還是斷裂韌性上都很低，在熱處理的過程中不能合理地控制工藝，回火時間和回火溫度均達不到技術要求的標準。（2）在噴涂時，噴涂材料在工藝參數上和性能上，敷焊合金層的材料以及基體材料在彈性模量、膨脹系數等方面的參數不同，會導致大量存在殘余應力。殘余應力對很多方面都有影響，敷焊合金層構件精度、尺寸的穩定性，敷焊合金層的質量和厚度等，在敷焊合金層出現剝落、開裂等失效形式出現時，殘余應力是主要原因之一。在噴涂時，當熔融的顆粒向基層表面噴射時，有了沖擊力的輔助作用，使其層狀結構得以擴展，在后續過程中，噴涂材料在不斷的疊加過程中導致疊層結構的形成，絕大部分的微觀缺陷會出現在層狀結構中。熔滴進行快速凝固，使得具有較大拉伸狀態的淬火殘余應力在冷卻時出現在層狀結構中。（3）之所以會出現斷口，是因為閥板的Ni60 敷焊合金層的存在，當裂紋在基體與敷焊合金層的界面進行擴展時，可以具體考慮為兩種情況：如果有大量的缺陷存在于界面處，則會使基體與敷焊合金層不容易結合，使界面出現裂紋，最終出現界面與敷焊合金層分層的現象發生，嚴重時會出現剝落；如果界面的微觀缺陷比較少，基體與敷焊合金層能很強的結合，那么該部位相當于是帶缺口的試件，在此部位處，基體會出現應力集中的現象，使敷焊合金層的裂紋在整個基體內貫穿，最后出現斷裂。（4）在敷焊合金層內有較多的析出硬質相存在，基體界面與合金層之間又有微觀缺陷。高速流體對閥板導流孔的內壓使得合金層出現張應力，加上合金層內殘余壓力的作用，應力集中產生于硬力相和缺陷部位，使敷焊合金層發生了裂紋的現象?；w材料具有相對低的沖擊韌性，它的臨界裂紋擴展阻力也很小，裂紋會擴展到基體界面，使閥板出現斷裂的現象。

2.2 閥板斷裂的改進建議

（1）將閥板基體材料的12Cr13 的熱處理工藝進行改進，對工藝進行調整，之前是一淬一回，現在改為一淬兩回，淬火溫度大于950℃，小于1050℃，進行2h 的保溫，第一次的回火溫度控制在700 ～750℃，第一次保溫時間還是控制在2.5h，對回火工藝進行增加，回火時間要大于650℃，小于700℃，保溫時間要控制在2.5h，對材料的屈服強度、沖擊功以及抗拉強度進行提高，前提是延伸率和端面收縮率得到滿足的情況下。（2）將閥板敷焊Ni60 的保溫溫度控制在700 ～750℃，保溫時間控制在1.5h，將敷焊以后的殘余應力降低，使合金層析出的硬質相得以減少。

3 閥板噴涂層脫落及點蝕

3.1 脫落和點蝕原因分析

涂層的結合是物理屬性的，強度約在71MPa，有微乎其微的未熔顆粒存在于涂層間，腐蝕介質由于受到高壓高溫以及液體環境的影響，從空隙處蔓延到涂層和基體交界的地方，從而導致腐蝕現象發生，使黏結的強度減弱，而且黏結的強度直接受到涂層腐蝕速度的影響，結合強度越高，腐蝕的速度也越快，腐蝕一般是先從局部開始腐蝕，剛開始是點蝕，后來形成坑蝕，當涂層的表面開始起泡時，就會沿著集體慢慢脫落下來。導致涂層服役條件和使用壽命出現的原因有很多，但涂層孔隙率大產生的滲透性缺陷是最重要的原因，腐蝕程度劃分見表1 所示。

表1 對腐蝕程度的劃分

3.2 處理建議

（1）以上工況問題的發生，要想盡量避免腐蝕現象，可以將材料等級升到HH 級，在閥板母材的選用上要使用鎳基合金。而在另外一個井口的位置，由于使用的是HH 級材料等級，且H2S 和CO2的含量比現在井位的含量都要高，因此雖然已使用3 年之久，但仍然沒有泄漏的現象發生。

（2）因為涂層的結合是物理屬性的，當WC 粒子在受到疏松碳化鎢顆粒時比較容易被分散，并且分布得更加均勻，因此更利于將涂層的孔隙率降低，將基體材料中被擴散的腐蝕介質進行降低，所以最好是使用疏松的碳化鎢顆粒比較好。

4 上法蘭開裂失效

4.1 裂紋形成原因

上法蘭這類零件的尺寸相比較大，因此進行鍛造后，剛開始冷卻的過程中，法蘭的心部溫度比表層溫度高，加上表層較大的收縮和心部的阻力，因此，在表層會產生拉應力，心部的壓應力也會隨著產生。冷卻一直進行下去，會有如下變化發生：冷卻初期，表層受到的拉應力一定程度上得到松弛，冷卻的后期表層受到心部收縮較大的壓應力，熱應力的方向產生了較大的改變，產生了心部的壓應力。

在淬火冷卻后期，上法蘭外層的金屬比內層降溫快，當外層降溫后，內層依然沒有冷卻下來，溫度還是較高，如果此時繼續降溫，則在內部會產生體積收縮，外部會阻礙內部，在上法蘭的中心有三向拉應力的產生，在截面的中心部位會產生最大的拉應力，所以在中心部位最容易出現開裂的現象；或者在溫度不均勻時，因馬氏體轉變而導致的組織應力，會造成上法蘭鍛件的冷卻裂紋發生。這些冷卻裂紋受到外力的作用，會更快地延展，最后出現四瓣的開裂現象。

以上所研究的上法蘭，如果從淬火效果的幾何尺寸方面來分析，它的中心位置在徑向的外壁和內壁中心部位，同時，位于厚度方向的中心位置，也就是截面的中心部位，此部位淬火的拉應力最大的。經過日常測量和觀察，我們了解到，上法蘭的裂紋恰好就是從此處起源的，也就是說，淬火在冷卻的后面階段，由于三向拉應力的存在，使上法蘭瞬間發生了斷裂，試壓誘發使之前的殘余應力發生了改變。

4.2 改進建議

對于混晶帶來的不良影響，可以采用更充分的鍛造工藝來解決，用砂冷的方法使鍛造時的冷卻速度放緩。與此同時，可以對工藝進行調整，從以前的一淬一回變成一淬兩回，淬火的溫度要大于950℃，小于1050℃，保溫時長達到6h，第一次回火的溫度大于700℃，小于750℃，第一次保溫的時長要控制在8h，將回火工藝增加一道，回火時間要在8h 不變。

綜上所述，通過對石油井口裝置的零件斷口進行形貌失效的分析和研究，清楚了是因為調質工藝不科學，才使零件發生開裂，使得產品不斷改進有理可依。