注水站高壓注水泵盤根盒壓帽斷裂分析*

王樹濤, 于慧文, 苗立民, 陳永浩, 尹琦嶺, 渠 蒲

(1.中國石化中原油田分公司,河南 濮陽 457001;2.中石化煉化工程集團洛陽技術研發中心,河南 洛陽 471003)

國內東部老油田已經總體進入高含水期[1],穩產和高效開發的關鍵在于平穩運行。中原油田地跨河南、山東兩省,面積5 300 km2、石油資源儲量為12.37×108t,目前動用石油地質儲量為 5.4×108t,進一步開發潛力巨大,目前水驅是主要的開發方式,注好水、順利平穩注水是水驅開發的關鍵環節[2-3]。

中原油田的部分區塊,由于滲透率低,注水壓力超過30 MPa,比如目前文南二區30號注水站泵壓38 MPa左右、64號注水站泵壓36 MPa左右、文南一區21號注水站35 MPa,因此,對注水泵在高壓注水方面的技術要求較高。在一個月之內,連續出現了多起高壓注水泵盤根盒壓帽斷裂、高壓水刺出等問題,導致注水暫停、影響水驅開發工作的正常推進,也帶來了安全隱患。

因此,針對高壓注水泵盤根盒壓帽斷裂情況進行系統分析,從而弄清楚斷裂的原因,既穩定了油田生產,又可為國內同類水驅油田提供借鑒。

1 高壓注水泵盤根盒壓帽斷裂情況

1.1 文南二區30號注水站1號泵一缸

2022年7月12日,正常注水的30號注水站1號泵(注水壓力38 MPa左右)一缸盤根盒壓帽發生斷脫(見圖1),高壓水柱刺出并打翻防水罩,造成大面積刺水進入1號泵和2號泵電柜。盡管泵房外采取了斷電和關閉來水總閥的處置措施,但是也造成正常注水中斷,經調查落實該泵盤根盒壓帽服役周期少于一年。

圖1 文南二區30號注水站1號泵

1.2 文南二區64號注水站1號泵一缸

2022年7月14日64號注水站2號泵(注水壓力36 MPa左右)發生刺水,加盤根2 h后2號泵三缸盤根盒壓帽發生斷裂后脫出(見圖2),高壓水柱打翻防水罩大面積刺出,造成3號泵電柜進水和正常注水中斷,經調查落實該泵盤根盒服役周期少于一年。

圖2 文南二區64號注水站1號泵一缸

1.3 文南二區21號注水站1號泵二缸

2022年7月4號,正常注水的21號注水站1號泵(注水壓力35 MPa左右)二缸盤根盒壓帽發生斷裂(見圖3),高壓水柱刺出打翻防水罩,造成大面積刺水進入1號泵電柜。盡管采取了切斷總電源、關閉來水總閥處置措施,但也造成正常注水中斷,經調查落實該泵盤根盒服役周期也少于一年。

圖3 文南二區21號注水站1號泵二缸

2 斷裂分析

取文南二區30號注水站1號泵一缸盤根盒壓帽斷裂試樣進行了分析,注水壓力為38 MPa左右。

2.1 化學成分與硬度分析

對壓帽斷口處進行材質成分分析,其化學成分見表1。壓帽材質為典型的碳鋼。

表1 現場斷裂壓帽的化學成分 w,%

采用硬度測試儀對壓帽斷口處進行硬度測試分析。測試條件為加載100 kg壓力,結果見表2。由表2可知,壓帽材質的硬度數據分散性比較大,試樣1硬度范圍在44.0 HRB至79.3 HRB,試樣2硬度范圍在47.3 HRB至72.3 HRB,說明材質的均勻性不好。

表2 現場斷裂壓帽的硬度

2.2 金相組織分析

對斷裂壓帽進行金相組織分析,將試樣進行打磨和拋光后,使用2%硝酸酒精侵蝕,采用掃描電鏡對試樣進行金相分析,金相組織形貌見圖4。斷裂壓帽材質組織為典型的“鐵素體+珠光體”,存在一些微小的小孔,金相組織較為粗大,主要粒徑分布范圍為30～50 μm。按照標準GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》規定,顯微晶粒度級別數為5.5～7.0。

圖4 現場斷裂壓帽的金相組織

2.3 斷口宏觀形貌分析

2.3.1 清洗前形貌

從宏觀形貌看,壓帽存在環向裂紋,發生較為整齊的斷裂有兩部分,壓帽表面覆蓋一層黃色腐蝕產物,其宏觀形貌見圖5。

圖5 現場斷裂壓帽的宏觀形貌

2.3.2 清洗后形貌

采用“鹽酸+水+六次甲基四胺”對斷裂壓帽進行清洗,除去表面黃色腐蝕產物,其宏觀形貌見圖6。由圖6可知,斷口整體平整,沒有明顯的縮頸現象,為典型的脆性斷裂。斷口存在剪切唇,即發生快速瞬斷的區域,為斷裂終點。與之隔環相對的區域為斷裂起點,即裂紋源。

圖6 清洗后宏觀形貌-斷裂起點與終點

2.4 斷口微觀形貌分析

2.4.1 斷裂起點處

斷裂起點處的顯微形貌見圖7。由圖7可見,該處有較多的韌窩,材質比較疏松,且有較多的氣孔。

圖7 現場斷裂壓帽斷裂起點處微觀形貌

2.4.2 斷裂終點處

斷裂終點處的顯微形貌見圖8。由圖8可見,該處有較多的韌窩,材質比較疏松,且有較多的氣孔,同時能觀察到較多的二次裂紋。

圖8 現場斷裂壓帽斷裂終點處微觀形貌

2.5 綜合分析

從材質因素和力學因素兩方面對壓帽斷裂原因進行分析。

材質因素。化學成分和金相組織分析后判斷壓帽材質為典型的碳鋼鑄造成型,金相組織為典型的“鐵素體+珠光體”,金相組織較為粗大,且存在一些微小的小孔。壓帽斷口處的硬度測試數據分散性比較大,說明材質均勻性不好。斷裂起點處和終點處的顯微形貌顯示,材質比較疏松、有較多的氣孔;終點處存在較多的二次裂紋,材質存在較多的鑄造缺陷。故鑄造材質疏松且存在缺陷,是斷裂發生的根本因素[4]。

力學因素。高壓注水泵盤根盒壓帽在高壓條件下工作,注水壓力約為38 MPa,并且注水泵是往復式的應力波動。在高壓作用下,從具有較多鑄造氣孔缺陷處開始起裂,并且裂紋快速擴展直到終點處發生瞬斷產生宏觀上的剪切唇和微觀上的較多二次裂紋。故高壓波動對斷裂起到了關鍵性的破壞作用。

在材質因素和力學因素共同作用造成高壓注水泵盤根盒壓帽服役一年左右就出現斷裂。

3 結論及建議

(1)壓帽斷裂為典型的脆性斷裂。

(2)高壓注水泵盤根盒壓帽發生斷裂的原因:一是碳鋼鑄造、材質均勻性不好,且存在較多的鑄造缺陷;二是由于注水壓力較高,且注水泵是往復式的應力波動。材質因素和力學因素共同作用導致其服役一年左右就出現斷裂。

(3)盡管壓帽是高壓注水泵的一個小部件,但是其一旦出現問題就會導致注水泵停機,因此建議針對壓帽進行金相組織、硬度和鑄造缺陷控制方面的綜合檢測,確保壓帽部件質量,從而降低高壓注水泵停機概率。