節(jié)流閥閥套斷裂失效分析

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(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 成都 610041; 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室, 成都 610041; 3. 中石油阿姆河天然氣勘探開發(fā)(北京)有限公司, 北京 102200)

節(jié)流閥閥套斷裂失效分析

張仁勇1,2,柴輝3,施岱艷1,2,姜放1,2,李天雷1,2,陳勇彬1,2,曹曉燕1,2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 成都 610041; 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室, 成都 610041; 3. 中石油阿姆河天然氣勘探開發(fā)(北京)有限公司, 北京 102200)

國(guó)外某氣田單井的井口節(jié)流閥閥套在運(yùn)行10 d(天)左右后便發(fā)生了斷裂失效。為了研究閥套的失效原因，對(duì)其宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織、硬度和斷口形貌等方面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：閥套主要呈脆性斷裂特征，表現(xiàn)形式為沿晶斷裂，斷裂與環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相關(guān)；裂紋從閥套外表面的點(diǎn)蝕坑底部萌生，沿壁厚方向擴(kuò)展，閥套在受到較大的環(huán)向應(yīng)力時(shí)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

節(jié)流閥閥套；沿晶脆性斷裂；點(diǎn)蝕坑；應(yīng)力腐蝕開裂

在天然氣開采輸送過程中，接觸濕硫化氫、二氧化碳的管道系統(tǒng)和設(shè)備會(huì)面臨腐蝕問題，嚴(yán)重的甚至?xí)斐晒艿来┛?、閥門失效，引發(fā)天然氣泄漏，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[1-2]。國(guó)外某氣田一口氣井的首氣采用單翼投運(yùn)模式，在正常生產(chǎn)運(yùn)行10 d(天)左右后發(fā)現(xiàn)采氣樹左翼節(jié)流閥失效，經(jīng)檢查確認(rèn)該節(jié)流閥的閥套發(fā)生了斷裂脫落事故。據(jù)資料顯示，該氣井的井口溫度約為100 ℃，關(guān)井油壓42.87 MPa，產(chǎn)氣量233×104m3·d-1，產(chǎn)水量26 m3·d-1左右，水中氯離子質(zhì)量濃度5 000 mg·L-1。原料氣的主要成分如表1所示。

為進(jìn)一步了解節(jié)流閥失效原因，避免其他同類型閥門再次發(fā)生類似失效事故，筆者拆檢該左翼節(jié)流閥，從宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織、硬度和斷口形貌等方面對(duì)斷落的閥套進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

表1 原料氣的主要成分(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))Tab.1 Main compositions of the feed gas (mole fraction) %

1 理化檢驗(yàn)

1.1宏觀檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)取回的閥套如圖1所示，閥套為管狀，其上端的壁厚為3.1～3.3 mm，內(nèi)徑約為70 mm，底部臺(tái)階處壁厚約為12.5 mm。節(jié)流閥的閥套上端斷裂面呈極不規(guī)則的犬牙交錯(cuò)狀，下端尾部臺(tái)階的內(nèi)表面有明顯的沖蝕痕跡，而腐蝕與沖刷的協(xié)同作用對(duì)金屬材料造成的破壞遠(yuǎn)大于單獨(dú)兩種作用之和[3-5]。閥套整個(gè)外表面存在輕微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，沿軸向的方向存在數(shù)條明顯的裂紋，其中最長(zhǎng)的貫穿裂紋長(zhǎng)度約為17 mm。

圖1 閥套宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the valve sleeve:a) profile side; b) axial direction

1.2化學(xué)成分分析

在閥套上選取裂紋明顯的部位進(jìn)行取樣，如圖2所示。根據(jù)GB/T 223系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 20123-2006，采用化學(xué)分析法對(duì)閥套所取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示該閥套材料的化學(xué)成分與ASTM A182-14a[6]中UNS 41000馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分相符，如表2所示。

圖2 化學(xué)成分分析取樣位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sampling position for chemical composition analysis

1.3金相檢驗(yàn)

ASTM A182-2015中要求UNS S41000馬氏體不銹鋼的熱處理工藝為正火+回火處理。根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》和GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，在MIAS-2000金相圖像分析儀下觀察試樣的顯微組織，如圖3所示，為回火馬氏體，符合ASTM A182-2015的要求。

圖3 閥套基體顯微組織形貌Fig.3 Matrix microstructure morphology of the valve sleeve

1.4硬度測(cè)試

從閥套無裂紋區(qū)域取樣，根據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》，采用HV-10維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)位于試樣橫截面上。結(jié)果如表3所示，可見閥套硬度滿足ISO 15156-3:2015[7]中的硬度要求。但馬氏體硬度高、脆性大，在濕硫化氫環(huán)境下開裂敏感性較高[8-9]。

表3 閥套硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Hardness testing results of the valve sleeve HV10

1.5斷口分析

1.5.1 斷口宏觀分析

從斷口宏觀形貌可以看出，斷口未出現(xiàn)明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征，如圖4所示。對(duì)圖2中有裂紋的部位進(jìn)行取樣，將試樣橫截面打磨拋光后置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在徑向橫截面上一共出現(xiàn)了兩條裂紋，其中較長(zhǎng)的裂紋由外表面沿徑向方向擴(kuò)展，總長(zhǎng)度約為2.5 mm，最寬處約0.5 mm，如圖5所示。

圖4 斷面宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of the fracture surface:a) irregular fracture surface; b) partial fracture surface

圖5 截面徑向最長(zhǎng)裂紋形貌Fig.5 Morphology of the longest radial crack on cross section

1.5.2 斷口微觀分析

將斷口表面腐蝕產(chǎn)物用化學(xué)方法清洗之后，在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，如圖6a)所示，整個(gè)斷裂面大部分較為平整。斷口主要呈脆性斷裂特征，表面的局部區(qū)域存在大量的二次裂紋。由圖6b)可知，該斷口微觀形貌主要為沿晶，晶粒輪廓明顯，呈現(xiàn)出脆性沿晶斷口中較典型的冰糖狀(石狀)形貌。

1.6點(diǎn)蝕形貌分析

閥套內(nèi)外表面上出現(xiàn)了很多坑狀形貌，主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕。在外表面非斷口區(qū)取樣觀察點(diǎn)蝕坑，如圖7a)所示，發(fā)現(xiàn)有裂紋從部分點(diǎn)蝕坑底部萌生，沿壁厚方向擴(kuò)展，在點(diǎn)蝕坑底部還發(fā)現(xiàn)多條應(yīng)力腐蝕微裂紋。而內(nèi)表面也存在可能由于機(jī)械損傷造成的微小凹坑，凹坑的邊緣規(guī)整圓滑，且在這些凹坑的尾部并未發(fā)現(xiàn)有微裂紋起源，如圖7b)所示。在酸性環(huán)境中，馬氏體不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕，在應(yīng)力存在的情況下，腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

圖7 點(diǎn)蝕坑底部和凹痕底部形貌Fig.7 Morphology of bottom of the pitting and the dent:a) cracks initiating from the pitting bottom; b) no cracks initiating from the bottom of the dent caused by mechanical damage

圖8 斷口表面腐蝕產(chǎn)物形貌Fig.8 Morphology of corrosion products on the fracture surface

1.7斷口腐蝕產(chǎn)物分析

通過JSM-6490LV型掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，斷口表面有一層不均勻的腐蝕產(chǎn)物，形狀不規(guī)則，局部出現(xiàn)脫水而發(fā)生龜裂，呈現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂的“泥紋花樣”，如圖8所示。閥套斷裂后，在流動(dòng)的腐蝕環(huán)境中，這些腐蝕產(chǎn)物在斷裂面形成一層較疏松的膜，且局部出現(xiàn)脫落。

圖9 腐蝕產(chǎn)物能譜分析區(qū)域及結(jié)果Fig.9 Area and results of energy spectrum analysis of the corrosion products:a) analysis area; b) analysis result

使用GENESIS 2000XMS型能譜儀對(duì)斷口上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖9所示。腐蝕產(chǎn)物中存在碳、硫、氯、鈣等元素，也出現(xiàn)了基體的主要元素如鐵、鉻、硅、錳等，結(jié)合表1原料氣中含H2S和CO2等腐蝕性介質(zhì)，推斷腐蝕產(chǎn)物主要組成為有機(jī)物和鐵的硫化物。

2 分析與討論

根據(jù)理化檢驗(yàn)分析結(jié)果，節(jié)流閥閥套材料為UNS S41000馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分符合ASTM A182-14a的要求，硬度滿足ISO 15156-3:2015的要求。閥套材料的顯微組織為回火馬氏體，但在濕硫化氫環(huán)境中開裂敏感性高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和閥套受力情況分析，正常工作狀態(tài)下閥套由閥桿帶動(dòng)上下移動(dòng)，通過對(duì)閥座孔開啟和關(guān)閉來進(jìn)行介質(zhì)流量的控制，閥套在受到介質(zhì)壓力引起的較大環(huán)向應(yīng)力的情況下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。且微觀觀察到有裂紋從外表面點(diǎn)蝕坑底部萌生，沿壁厚方向擴(kuò)展。

3 結(jié)論及建議

(1) 閥套斷裂的性質(zhì)為多源脆性斷裂，主要表現(xiàn)為沿晶斷裂，斷裂與環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相關(guān)，閥套受到較大的環(huán)向應(yīng)力引起了應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 建議改進(jìn)閥套設(shè)計(jì)，減小閥套所受應(yīng)力。同時(shí)，酸性環(huán)境中井口閥門材料的選擇必須符合API 6A-2010和ISO 15156/NACE MR 0175-2015的相關(guān)要求。

[1] 趙向杰,王溫棟.某輸氣管線穿孔原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(8):584-588.

[2] 金靜靜,李玲.某油田鉆桿旋塞閥斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(5):355-359.

[3] STACK M M, CORLETT N, TURGOOSE S. Some thoughts on modelling the effects of oxygen and particle concentration on the erosion-corrosion of steels in aqueous slurries[J].Wear,2003,255(1):225-236.

[4] BURSTEIN G T, SASAKI K. Effect of impact angle on the slurry erosion corrosion of 304L stainless steel[J].Wear,2000,240(1/2):80-94.

[5] 朱娟,張喬斌,陳宇,等.沖刷腐蝕的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2014,34(3):199-210.

[6] ASTM A182-2012 Standard specification for forged or rolled alloy and stainless steel pipe flanges, forged fittings, and valves and parts for high-temperature service[S].

[7] ISO 15156-3:2015 Petroleum and natural gas industries—Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production—Part 3: Cracking-resistant CRAs (corrosion-resistant alloys) and other alloys[S].

[9] 姚學(xué)軍,王儉秋,左景輝,等.微觀組織對(duì)X52鋼抗H2S腐蝕和開裂性能的影響[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2012,32(2):95-101.

FractureFailureAnalysisoftheThrottlingValveSleeve

ZHANGRenyong1,2,CHAIHui3,SHIDaiyan1,2,JIANGFang1,2,LITianlei1,2,CHENYongbin1,2,CAOXiaoyan1,2

(1. China Petroleum Engineering Co., Ltd. Southwest Company, Chengdu 610041, China; 2. Department for Tubular Goods Corrosion and Protection in Sour Oil and Gas Fields of Key Laboratory of Petroleum Tubular Goods Engineering, CNPC, Chengdu 610041, China; 3. CNPC Amu Darya Oil & Gas Exploration and Development (Beijing) Co., Ltd., Beijing 102200, China)

Fracture failure happened to the throttling valve sleeve of one single well in a foreign gas field after about 10 days production. The macro morphology, chemical compositions, microstructure, hardness, fracture morphology and so on were analyzed in order to study the failure reasons of the valve sleeve. The results show that: the fracture section of the valve sleeve had a brittle rupture surface with intergranular fracture, and the fracture associated with hoop stress and axial stress; cracks germinated from bottom of the pitting on the outer surface of the valve sleeve, and extended along the wall thickness direction; the stress corrosion cracking occurred to the valve sleeve when it subjected to the large hoop stress.

throttling valve sleeve; intergranular brittleness fracture; pitting; stress corrosion cracking

10.11973/lhjy-wl201709009

2016-10-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX-05059-004)；海外復(fù)雜腐蝕氣田設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估技術(shù)資助項(xiàng)目(KY2015-208)

張仁勇(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事油氣田材料應(yīng)用和腐蝕防護(hù)工作，zhangreny84@126.com

TG115.2

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：1001-4012(2017)09-0655-04