高溫鐵素體對(duì)17-4PH鋼壓裂泵閥箱壽命的影響分析

盧一欣，陳 濤，王 賀，曹世忠，楊 慧

(1.上海清河機(jī)械有限公司，上海 201802； 2.長(zhǎng)慶油田分公司 第一采油廠(chǎng)，陜西 延安 716009；3.新疆華油新海石油工程技術(shù)有限公司，新疆 庫(kù)車(chē) 842000)

壓裂泵(車(chē))是向地層泵送液體而增加地層壓力的重要設(shè)備，可提高油氣層滲透率，最終達(dá)到提高油、氣井采收率的目的?？上蚓卤盟颓逅?、酸性壓裂液、泥漿液、表面活性劑或非高黏度液體等各類(lèi)作業(yè)介質(zhì)，用于對(duì)地層進(jìn)行加砂壓裂或酸化壓裂作業(yè)及壓力測(cè)試等工作[1]。隨著壓裂工況的不斷變化，超深井、超高壓井的不斷增多，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于大型壓裂設(shè)備尤其是液力端的使用壽命要求越來(lái)越高。為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工變化，越來(lái)越多的廠(chǎng)商選擇使用不銹鋼材料生產(chǎn)液力端閥箱，其中絕大部分廠(chǎng)家選擇使用17-4PH鋼或者15-5PH鋼。一般情況下，采用17-4PH材料的閥箱使用壽命是普通碳鋼材料閥箱的數(shù)倍，不同的施工工況對(duì)于閥箱的使用壽命影響較大，主要受到施工壓力、酸比、及砂比等因素影響。

壓裂泵液力端閥箱屬于高值易耗件，不論碳鋼材料還是不銹鋼材料，一般失效破壞形式為腔內(nèi)應(yīng)力集中位置疲勞開(kāi)裂。關(guān)于液力端閥箱的失效模式，趙艷瓊、張慶根、莫麗等先后在閥箱破壞的原因[2-4]、失效形式、延長(zhǎng)閥箱壽命等方面開(kāi)展了研究，也總結(jié)了眾多有利于提高液力端使用壽命的指導(dǎo)性結(jié)論，絕大多數(shù)基于碳鋼閥箱研究得到的結(jié)論也是可以指導(dǎo)不銹鋼閥箱的實(shí)際生產(chǎn)，諸如自增強(qiáng)、復(fù)合強(qiáng)化、噴丸處理等都可以有效地延長(zhǎng)不銹鋼液力端閥箱的使用壽命。但是，針對(duì)17-4PH材料因素對(duì)于閥箱壽命的影響研究較少，特別是17-4PH鋼中高溫鐵素體對(duì)于液力端閥箱使用壽命的影響鮮有研究。

1 17-4PH不銹鋼閥箱的失效分析

某型壓裂車(chē)17-4PH不銹鋼液力端產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)區(qū)塊進(jìn)行壓裂作業(yè)，相同施工條件下存在壽命相差巨大的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)2件使用壽命差異較大的開(kāi)裂件取樣分析，其化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)符合技術(shù)、規(guī)范要求，且這2件材料屬于同一批次、同一爐號(hào)。

如圖1所示，裂紋都出現(xiàn)在閥箱兩側(cè)缸體，裂紋源處于相貫線(xiàn)應(yīng)力集中部位，而且對(duì)剖面存在大量的點(diǎn)蝕坑。裂紋位置符合液力端閥箱常見(jiàn)的疲勞失效位置。為了深入對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究，分別對(duì)2件閥箱進(jìn)行失效分析。

圖1 裂紋位置著色探傷形貌

失效分析結(jié)果顯示裂紋斷面平整光亮，并有明顯的疲勞條紋，由此推斷失效形式為疲勞開(kāi)裂，如圖2所示。

圖2 裂紋斷面形貌

通過(guò)外觀(guān)檢查、斷口分析、材質(zhì)分析，均無(wú)異常?？紤]到高溫鐵素體對(duì)于17-4PH材質(zhì)的影響，重點(diǎn)對(duì)2件試樣的高溫鐵素體含量以及分布進(jìn)行了檢測(cè)與對(duì)比。

一般來(lái)說(shuō)，17-4PH鋼中高溫鐵素體對(duì)鋼的各種性能都有較大的影響，特別是對(duì)沖擊韌性的影響更為顯著。當(dāng)鋼中高溫鐵素體含量較高時(shí)， 一是使鋼的冷脆性溫度升高；二是由于高溫鐵素體呈網(wǎng)狀分布時(shí)，破壞了鋼的基體連續(xù)性，嚴(yán)重地影響鋼的性能[5]。但是，在2件樣本的力學(xué)性能分析中，材料力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求。對(duì)2件試樣進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè)，依據(jù)ASTME562-ll采用400 (20×20)點(diǎn)陣檢測(cè)高溫鐵素體含量，兩者鐵素體平均含量都小于2%。依據(jù)GB/T 8732-2004《汽輪機(jī)葉片用鋼》[6]要求。因此，試樣中的高溫鐵素體含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)壽命較短的閥箱試樣存在嚴(yán)重的鐵素體局部富集問(wèn)題，如圖3所示，最嚴(yán)重區(qū)域平均含量都為7.1%。

考慮到2件產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能等均無(wú)明顯差異，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)閥箱內(nèi)表面存在明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，推斷存在鐵素體局部富集區(qū)與兩件產(chǎn)品使用壽命的巨大差異有直接關(guān)系，特別是內(nèi)腔應(yīng)力集中位置若存在鐵素體局部富集或者大尺寸鐵素體晶粒的存在，可能導(dǎo)致產(chǎn)品提前腐蝕疲勞失效。

a 局部富集區(qū)域

2 分析與討論

經(jīng)過(guò)失效分析，2件試樣最大的區(qū)別在于不正常壽命閥箱試樣鐵素體存在局部的鐵素體富集，結(jié)合圖1所示的閥箱內(nèi)表面存在嚴(yán)重的點(diǎn)蝕問(wèn)題，推斷鐵素體的局部富集以及平均含量超標(biāo)應(yīng)該是此閥箱出現(xiàn)壽命不正常問(wèn)題的主因。為了證實(shí)推斷的正確性，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%鹽酸溶液中75 ℃下浸泡30 min，進(jìn)行靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)。腐蝕前、后對(duì)比如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣中鐵素體率先腐蝕形成點(diǎn)蝕坑，試驗(yàn)后點(diǎn)蝕孔洞位置以及輪廓基本與鐵素體區(qū)域位置一一對(duì)應(yīng)，表明孔洞是由鐵素體腐蝕產(chǎn)生的。在試驗(yàn)前對(duì)樣品進(jìn)行能譜分析：回火索氏體內(nèi)部Mn、Ni、Cu元素含量較高，Cr元素含量較低。而高溫鐵素體內(nèi)剛好相反，Mn、Ni、Cu元素含量較低， Cr元素含量較高； Mn、Ni、Cu元素是奧氏體化元素，Cr元素是鐵素體化元素，各自會(huì)在相應(yīng)的相中富集。17-4PH鋼之所以具有一定的耐腐蝕性，主要是因?yàn)?5%～17%含量的Cr元素能夠在表面形成致密的鈍化膜，阻礙腐蝕進(jìn)行[5]。但是，在還原性酸中，表面的鈍化膜會(huì)逐漸溶解，對(duì)腐蝕的阻礙作用明顯減弱，加入的Ni、Cu元素能夠增強(qiáng)鈍化膜的穩(wěn)定性，減弱還原性酸對(duì)基體的腐蝕作用，即在還原性酸腐蝕環(huán)境下，回火索氏體的電極電位比高溫鐵素體的電極電位高，形成了以回火索氏體為陰極，高溫鐵素體為陽(yáng)極的電偶腐蝕。

a 鐵素體富集區(qū)域腐蝕前

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，如果在閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中嚴(yán)重的位置，也就是一般的失效開(kāi)裂位置存在鐵素體富集區(qū)域，那么在閥箱工作過(guò)程中，隨著鐵素體的率先溶解，導(dǎo)致點(diǎn)蝕的出現(xiàn)以及不斷擴(kuò)大，在點(diǎn)蝕孔洞位置交變應(yīng)力的幅度相應(yīng)增加，反過(guò)來(lái)交變應(yīng)力幅度的增大會(huì)促進(jìn)點(diǎn)蝕孔洞的擴(kuò)大，兩者互相作用，使閥箱的疲勞壽命大幅降低，即導(dǎo)致提前開(kāi)裂失效。

對(duì)于高溫鐵素體的控制，鋼的鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量是影響鐵素體含量的主要因素，其次是鋼的加熱溫度，再其次是鋼在高溫區(qū)的停留時(shí)間[7-8]。17-4PH鋼δ相和γ相的轉(zhuǎn)變是可逆的，實(shí)際上，加熱時(shí)γ向δ的轉(zhuǎn)變?nèi)菀?，而δ向γ的轉(zhuǎn)變較困難。因此，高溫時(shí)析出的高溫鐵素體經(jīng)過(guò)淬火快冷可以保留下來(lái)；而奧氏體組織在 Ms點(diǎn)以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，于是最終常溫組織就會(huì)表現(xiàn)為兩相組織：高溫鐵素體和馬氏體。從鍛造工序來(lái)說(shuō)，為避免產(chǎn)生高溫鐵素體，始鍛溫度不應(yīng)超過(guò)1 200 ℃。建議始鍛溫度不超過(guò)1 175 ℃，在此溫度內(nèi)可獲得較均勻細(xì)小的晶粒組織，保證鋼的組織和性能需要，且具有較高的塑性和較小的變形抗力[9-11]。

17-4PH鋼閥箱的主要失效形式為腐蝕疲勞失效，壓裂液對(duì)于閥箱的腐蝕會(huì)加速閥箱的疲勞失效。通過(guò)分析可知，除常規(guī)化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)的要求外，針對(duì)17-4PH的材料特性，需要對(duì)高溫鐵素體含量在常規(guī)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高要求，除平均含量外，需要進(jìn)一步針對(duì)是否存在局部富集度進(jìn)行檢驗(yàn)，并制定相應(yīng)的自檢標(biāo)準(zhǔn)。從原材料來(lái)講，需要從化學(xué)成分以及鍛造工藝兩方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化、控制。

由此判斷兩件17-4PH鋼閥箱的化學(xué)成分、力學(xué)性能等均無(wú)明顯差異，使用工況相同情況下使用壽命存在較大差異的原因在于高溫鐵素體的局部富集，特別是在閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中位置的富集。根本措施在于冶煉以及鍛造工序過(guò)程控制。

3 結(jié)論

1) 17-4PH鋼壓裂泵端閥箱中高溫鐵素體含量不但對(duì)力學(xué)性能有著直接影響，而且與點(diǎn)腐蝕的產(chǎn)生關(guān)系密切。在腐蝕環(huán)境下高溫鐵素體率先腐蝕形成點(diǎn)、坑。

2) 17-4PH鋼壓裂泵閥箱的材料基體組織為回火索氏體，高溫鐵素體含量較少，易形成大陰極、小陽(yáng)極的電偶腐蝕，加速了陽(yáng)極(高溫鐵素體)溶解。

3) 如果在17-4PH鋼閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中區(qū)域存在局部高溫鐵素體的富集，會(huì)加速液力端的腐蝕疲勞失效過(guò)程。

4) 對(duì)于17-4PH鋼壓裂泵閥箱高溫鐵素體的檢測(cè)指標(biāo)不但需要平均含量指標(biāo)，還需要注意局部富集度，以及高溫鐵素體晶粒最大尺寸的問(wèn)題。

5) 參照GB/T 8732-2004《汽輪機(jī)葉片用鋼》，積累檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)17-4PH鋼壓裂泵閥箱形成關(guān)于高溫鐵素體含量以及局部富集、最大晶粒尺寸的具體規(guī)定，有助于整體提高17-4PH鋼壓裂泵閥箱的使用壽命。