旋塞閥沖蝕失效原因分析

李安民，馮玲

1.荊州市世紀派創石油機械檢測有限公司 湖北荊州 434024

2.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠 湖北荊州 434024

1 序言

某高壓壓裂設備在服役時，當工作壓力增至約10000psi（1psi＝6.894757Pa）時，作業人員發現壓力加載異常，停機檢查發現其配件3in（1in＝25.4mm）旋塞閥公接頭處發生沖蝕，導致工作流體泄漏，沖蝕的旋塞閥如圖1所示。此次事件導致整個高壓壓裂機組停機，造成經濟損失100多萬元。失效的旋塞閥設計材料為40CrNi2Mo鋼，額定工作壓力為15000psi，失效的旋塞閥累計服役約120h。為查找失效原因，對其進行了失效分析。

圖1 沖蝕的旋塞閥

2 理化檢測

2.1 宏觀分析

從沖蝕的旋塞閥可見，工作流體從旋塞閥公由壬接頭部位發生泄漏，工作流體沿著旋塞閥公由壬接頭臺階處刺穿管壁，在接頭外壁與接頭連接件（三瓣）之間留下沖蝕痕跡，如圖2、圖3所示。

圖2 旋塞閥由壬臺階處沖蝕

圖3 旋塞閥由壬端外部連接件三瓣沖蝕

旋塞閥泄漏區呈扇形分布，內壁裂紋短，外壁裂紋長。旋塞閥由壬端內壁刺穿部位如圖4所示。

圖4 旋塞閥由壬端內壁刺穿部位

由圖4可見，內壁刺裂紋寬約5m m、長度約45mm，裂縫邊緣圓滑，呈明顯的刺穿沖蝕特征，裂縫對應外壁臺階處，即幾何尺寸突變處，外壁裂紋長度約90mm，外壁壁厚薄弱處布滿沖蝕痕跡。解剖沖蝕部位（見圖5），可發現沖蝕區分為兩部分，與內壁刺穿裂紋平行的刺穿區和布滿孔洞的沖蝕區。刺穿區與刺穿裂紋平行，刺穿表面光滑，無肉眼可見的沖蝕坑，約占壁厚的1/4，由斷口可見其特征與內壁刺穿裂紋特征相同，為高壓流體過載導致的管壁刺穿形成的區域。另一區域為沖蝕區，布滿著大小不一的沖蝕坑，為高壓流體對裂紋表面和管外壁原沖刷形成的沖蝕區，原始裂紋已被工作流體沖刷破壞，形成沖蝕斷口。由此可見，旋塞閥公由壬接頭是先在軸間外圓弧過渡處產生裂紋，且裂紋沿著圓弧角臺階處向兩邊延伸，同時向管內壁擴展，最后發生由內而外的沖蝕失效。

圖5 旋塞閥由壬端外壁沖蝕

2.2 幾何測量

旋塞閥由壬接頭部位取樣測量軸間圓弧角，實測圓弧角為R0.55 mm，如圖6 所示。設計為R1.2mm，因此機加工不符合設計要求。

圖6 旋塞閥由壬端泄漏部位圓弧角度

2.3 化學成分分析

對泄漏的旋塞閥取樣進行光譜分析，結果見表1。由表1可見，材料的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對40CrNi2Mo鋼的規定，符合設計要求。

表1 旋塞閥化學成分（質量分數） （%）

2.4 力學性能測試

對泄漏旋塞閥解剖進行力學性能測試，結果見表2。從表2可看出，旋塞閥的力學性能符合設計要求。

表2 旋塞閥力學性能測試

2.5 金相分析

在旋塞閥裂紋處取樣進行非金屬夾雜物分析，分析結果為細系A0.5、B0、C0.5、D0.5；粗系A0.5、B0、C0、D1.0，未發現冶金質量和加工缺陷。裂紋附近金相組織為回火索氏體＋少量游離鐵素體，為正常的調質組織，如圖7所示。

圖7 旋塞閥的金相組織

2.6 微觀形貌分析

旋塞閥斷口部位原始缺陷因沖蝕發生二次破壞，僅留下沖蝕斷口形貌，對其進行斷口形貌分析，可見主要呈現腐蝕坑和沖蝕坑，高倍下呈韌窩狀，表面有氧化現象，為后期流體沖蝕形成的形貌特征，如圖8所示。

圖8 旋塞閥斷口微觀形貌

3 討論與分析

3.1 應力分析

單純從產品結構上看，公由壬端結構發生突變，此處存在應力集中現象。另外，加之圓弧角加工過小，實際加工圓弧角不到設計圓弧角的一半，更是加劇了應力集中現象。通過應力云圖分析受力，公由壬端軸肩根部附近存在應力集中，當屈服強度為930MPa、軸間圓弧為R1.2mm時，公由壬軸肩最大內應力為753.9MPa；當軸間圓弧為R0.8mm時，公由壬軸肩最大內應力為806MPa。由此可知，同樣的屈服強度，應力增大約50M P a[1]。由此可見，當軸間圓弧急劇減小為R0.55mm時，其公由壬軸肩最大內應力會大幅增大，接近甚至超過材料的屈服強度，當受力時在應力集中部位就容易萌生裂紋。

從現場反饋情況發現，高壓管匯在服役期間，當高壓流體通過時，旋塞閥發生較大幅度擺動現象，尤其是每次開始作業時，其擺動尤為明顯。擺動作用點集中于旋塞閥壁厚最小的公由壬部位，此處是與其他零件連接的部位，也是產生應力集中的部位。由此可見，旋塞閥公由壬軸肩的應力集中部位在服役期間除了承受工作流體的壓應力外，還承受著振動應力。

3.2 旋塞閥泄漏過程分析

由以上分析可見，旋塞閥在振動應力作用下，首先在旋塞閥公由壬軸肩部位圓弧過渡角的一側萌生了裂紋，因為過渡圓弧角半徑R較小，所以會產生應力集中現象，易造成早期疲勞裂紋[2-4]。隨著服役次數的增加和服役時間的延長，裂紋進一步沿著圓弧角向管壁內部擴展，直至到達原壁厚的1/4時，此處的壁厚已經不足以承受服役時的高壓流體壓力，當加載到10000psi時，高壓流體沖破最薄弱的管壁部位，形成刺穿裂紋，并將原始裂紋及其外徑和連接三瓣沖蝕，發生沖蝕失效，導致壓力異常。

4 結論與建議

1）旋塞閥公由壬軸臺階處的圓弧過渡加工不當是旋塞閥泄漏的主要原因。

2）旋塞閥安裝過程中無固定和減振措施，導致其受到額外工作應力是其泄漏的次要原因。

3）控制機加工精度，同時加大旋塞閥公由壬軸臺階處的圓弧過渡至≥R2mm，或者設計成斜面，以減少此處的應力集中。

4）增加減振及固定措施，從根本上減少此處受到額外的振動應力。