石油井口裝置關(guān)鍵部件失效機理分析

陳 軍

（大慶油田裝備制造集團采油裝備制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

石油井口裝置應(yīng)用的安全與可靠將直接對石油開采工程建設(shè)效率產(chǎn)生直接影響，若是石油井口裝置安全性能無法滿足采油相關(guān)要求，將加劇石油開采工作實施難度，嚴重情況下將誘發(fā)井噴事故的發(fā)生，石油井口裝置應(yīng)用過程中所涉及的元件數(shù)量較多，其中關(guān)系到開裂失效的上法蘭件及斷裂失效的閥板均屬于重要零部件，為保障石油井口裝置應(yīng)用的合理性，必須分析石油井口裝置關(guān)鍵部分受力因素及失效因素，分析關(guān)鍵部件失效的因素，并采取針對性措施進行解決，以此保障石油井口裝置關(guān)鍵部件應(yīng)用的效益，確保采油工作的順利開展，就石油井口裝置關(guān)鍵部件失效機理展開分析研究。

1 關(guān)鍵部件失效原因

在應(yīng)用石油井口裝置過程中，受到采油企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的影響，關(guān)鍵部件的應(yīng)用壽命大都會受到酸堿水平、壓力水平及溫度水平等多種因素的影響，對關(guān)鍵部件失效原因、機械能分析，可對影響關(guān)鍵部件正常工作的影響因素進行分析，以此進行針對性的改進和優(yōu)化，保障石油井口裝置應(yīng)用質(zhì)量的合理性[1]。

1.1 腐蝕性損壞

腐蝕性損壞類型比較多，包括隙縫腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕等多種類型，由于石油井口裝置的工作環(huán)境特殊，極易受到腐蝕性及機械力雙重作用影響，導致應(yīng)力腐蝕破裂，引起液態(tài)金屬脆裂、清脆、疲勞腐蝕破裂及磨損腐蝕破裂等多種損壞后果，可見，只有強化關(guān)鍵部件的防腐蝕工作，才可保障關(guān)鍵部件應(yīng)用的可靠性，促進石油井口裝置應(yīng)用的安全性，為降低石油井口裝置腐蝕概率，相關(guān)技術(shù)研究人員進行了不斷探索研究，為保障關(guān)鍵部件不受酸堿腐蝕因素影響，大都依靠涂覆類抗腐蝕材料對關(guān)鍵部件進行保護，并嚴格采用符合石油企業(yè)施工標準的材料進行生產(chǎn)，優(yōu)化加工工藝，依靠先進的鍛造方式進行關(guān)鍵部件的制作，促進了關(guān)鍵部件應(yīng)力許用值的增長。

1.2 機械力損壞

機械力損壞屬于關(guān)鍵部件損壞的最主要因素，其主要包括疲勞損害和恒力損害兩種類型。恒力損害主要包括脆性損害和延性損害兩種類型，機械力的破壞會嚴重影響關(guān)鍵部件的正常工作，關(guān)鍵部件在石油井口裝置應(yīng)用中，所采用的加工工藝存在一定的差異性，所以其能承受的最大許用應(yīng)力也存在一定差異性，無論是進行抗彎性能、抗剪性能還是抗拉性能檢測，均需要應(yīng)用對應(yīng)的極限值進行分析，若是機械力破壞力度過大，將嚴重影響石油井口裝置的質(zhì)量，形成不可挽回的經(jīng)濟損失，嚴重影響石油企業(yè)工作效率，對作業(yè)效率及施工安全均產(chǎn)生不良影響[2]。

1.3 高溫損壞

石油井口裝置關(guān)鍵部件破壞的最主要因素為高溫破壞，由于高溫腐蝕和高溫應(yīng)力等因素影響產(chǎn)生的高溫破壞，會受到機械力與高溫的雙重作用，引起磨裂和硬化脆裂現(xiàn)象，高溫破壞也可與腐蝕破壞共同對石油井口裝置產(chǎn)生影響，其主要包括高溫硫化破壞和氧化破壞兩種。高溫破壞屬于腐蝕、機械和溫度三種因素的疊加影響，嚴重威脅石油企業(yè)生產(chǎn)安全，必須對石油井口裝置的可靠性能和安全性能進行綜合考量，不斷提升關(guān)鍵構(gòu)建的抗破壞能力，以縮減石油開采工程事故的發(fā)生概率。

2 閥板斷裂

2.1 斷裂原因

開展力學性能分析實驗，發(fā)現(xiàn)閥板在應(yīng)用過程中，其基本材料在抗拉強度、屈服強度及縱向沖擊功等多種方面均無法滿足標準技術(shù)施工要求，這一狀況表明閥板無論在斷裂韌性還是在強度上，都無法滿足井口裝置的相關(guān)要求。在開展熱處理時，無法選擇合理的控制工藝進行干預，回火溫度及回火時間無法滿足關(guān)鍵部件設(shè)置的基本標準。

在開展噴涂過程中，大都依據(jù)材料性能及工藝參數(shù)開展，由于膨脹系數(shù)、基體材料的彈性模量及敷焊合金層材料參數(shù)存在差異性，所以殘余應(yīng)力廣泛存在，且殘余應(yīng)力會嚴重影響敷焊合金層構(gòu)建的尺寸和精準程度，影響其穩(wěn)定性能，對敷焊合金層的厚度和質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，導致敷焊合金層在應(yīng)用過程中出現(xiàn)開裂和剝落失效形式[3]。在開展噴涂過程中，若是顆粒熔融后向基層表面噴射，則會產(chǎn)生沖擊輔助力，拓展其層狀結(jié)構(gòu)，在后續(xù)應(yīng)用過程中，將會導致疊層結(jié)構(gòu)的形成，層狀結(jié)構(gòu)中會存在胃管缺陷。熔滴會快速凝固，淬火殘余應(yīng)力會在冷卻過程中處于拉伸狀態(tài)，在層狀結(jié)構(gòu)中顯現(xiàn)。斷口出現(xiàn)的原因大都是由于閥板Ni60 敷焊合金層的存在而引發(fā)，敷焊合金層及基體界面發(fā)生裂紋拓展情況下，主要包含以下兩種狀況：若是缺陷在界面位置大量存在，敷焊合金層與基體的結(jié)合會受到嚴重影響，導致裂紋的出現(xiàn)，引起層次劃分和脫落現(xiàn)象。若是界面存在較少的微觀缺陷，則敷焊合金層與基體的結(jié)合能力也會隨之提升，這一部分就屬于帶缺口的試件，基體中的應(yīng)力會大量集中，導致基體內(nèi)部貫穿裂紋，最后出現(xiàn)斷裂。此外，敷焊合金層內(nèi)部存在較多的質(zhì)硬項，微觀缺陷于合金層和基體界面存在，合金層會受到閥板及高速流涕內(nèi)部壓力影響，導致其出現(xiàn)張應(yīng)力，加之合金層內(nèi)部存在參與壓力，缺陷部位會出現(xiàn)大量集中應(yīng)力現(xiàn)象，導致敷焊合金層裂縫問題的發(fā)生，由于基體材料抗沖擊韌性較低，臨界裂縫具有績效的拓展阻力，所以基體界面會出現(xiàn)裂紋，引起閥板斷裂。

2.2 改進措施

必須對熱處理工藝進行優(yōu)化，對工藝內(nèi)容進行調(diào)整，對傳統(tǒng)的一淬一回的形式進行調(diào)整，采用一淬兩回方式干預，淬火過程中，溫度必須控制在950～1050 ℃，保溫時間以2 h 為宜，第一次回火過程中，溫度必須保持在700～750 ℃，保溫時間以2.5 h 為宜，增加回火工藝，確?；鼗饡r間溫度在650～700 ℃，保溫時間維持在2.5 h，必須提升材料屈服強度、抗拉強度和沖擊功，在滿足端面收縮率和延伸率的情況下開展。敷焊Ni60 的保持溫度必須在725 ℃左右，保溫時間必須在1.5 h 左右，盡可能降低敷焊完成后的參與應(yīng)力，降低合金層析出的硬質(zhì)相。

3 上法蘭開裂

3.1 形成原因

由于上法蘭尺寸較大，在鍛造以后，開始冷卻時，該零件的中心溫度遠遠高于遠端溫度，加之心部阻力影響，表層拉應(yīng)力情況時有發(fā)生，因此導致心部壓應(yīng)力的產(chǎn)生，在冷卻過程中，冷卻初期，表層拉應(yīng)力比較松弛，冷卻后期，心部收縮壓應(yīng)力提升，熱應(yīng)力方向隨之變化，心部壓應(yīng)力隨之增加。淬火冷卻完成后，金屬相對于內(nèi)層的溫度下降速度較快，待外層溫度降低以后，內(nèi)層并未冷卻，溫度處于較高水平，若是持續(xù)降溫，將導致上法蘭內(nèi)部體積收縮，對內(nèi)部形成阻礙作用，影響法蘭中心的三向拉應(yīng)力，在截面中心部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，中心部位開裂問題隨之發(fā)生。若是溫度不均勻，組織應(yīng)力會受到馬氏體轉(zhuǎn)變影響，導致上法蘭鍛件在冷卻過程中產(chǎn)生冷卻裂縫，一旦受到外力影響，裂紋會迅速蔓延，出現(xiàn)開裂問題[4]。分析淬火效果的集合尺寸，上法蘭中心位置徑向的內(nèi)壁及外壁中心位置會受到影響，在截面中心位置所受到的拉應(yīng)力也是最大應(yīng)力。經(jīng)日常觀察和測量，發(fā)現(xiàn)上法蘭裂紋大都以此位置開始，淬火冷卻后期階段，會存在三向拉應(yīng)力，導致上法蘭斷裂。

3.2 改進措施

針對混晶所產(chǎn)生的負面作用，可以在鍛造工藝應(yīng)用過程中對相關(guān)問題進行解決，可以依靠砂冷方式進行冷卻速度的減緩，在此過程中，必須調(diào)整工藝，以一淬一回向一淬兩回進行轉(zhuǎn)變，淬火溫度必須維持在950～1050 ℃，保溫時間必須保障在6 h 以內(nèi)，在第一次回火過程中，溫度必須控制在700～750 ℃，保溫時間必須維持在8 h，增加一道回火工藝過程中，必須保持回火時間在8 h。

4 結(jié)束語

石油開采工程作業(yè)質(zhì)量、施工進度極大程度受石油井口裝置的影響，關(guān)鍵部件失效，將在很大程度上影響石油企業(yè)經(jīng)營效益，所以這就需要分析關(guān)鍵部件失效原因，對重點部件的失效因素進行分析，并采取針對性的解決措施進行關(guān)鍵部件的改進，確保關(guān)鍵部件質(zhì)量的合格性，保障油田井口裝置應(yīng)用的安全及可靠，提升油田企業(yè)經(jīng)濟效益。