某海上平臺4130鋼注水泵泵體開裂失效分析

楊中娜 趙杰瑛 孟 強(qiáng) 夏明磊 金 磊 楊 陽

1. 中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司, 天津 300452;2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524000

0 前言

油田注水是國內(nèi)外油田提高采收率的主要方法,油田注水可彌補(bǔ)原油采出后造成的地下虧空,保持和提高地層壓力,實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[1-3]。注水泵是油田注水生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力之源,一旦失效,不但會給生產(chǎn)、人身安全造成巨大威脅,還會因停產(chǎn)、維修或換新造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。目前,腐蝕疲勞失效逐漸引起業(yè)界重視,目前國內(nèi)外主要通過宏觀分析、XRD腐蝕產(chǎn)物分析、掃描電鏡微觀斷口分析和能譜分析、裂紋處金相分析、應(yīng)力計(jì)算等方式對腐蝕疲勞失效事故開展分析,本文結(jié)合常用的分析手段對失效注水泵展開分析,同時(shí)采用ANSYS有限元分析軟件的結(jié)構(gòu)分析模塊對注水泵工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬,評估、驗(yàn)證失效原因和機(jī)理。

某海上平臺注水系統(tǒng)進(jìn)口3臺往復(fù)式柱塞泵進(jìn)行注水,記為注水泵A(A泵),注水泵B(B泵),注水泵C(C泵),泵體原材料為4130鋼,整體鍛造而成,熱處理工藝不詳,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行API STD 674 Positive displacement pumps-reciprocating(以下簡稱API 674)。A泵在累計(jì)運(yùn)行3個(gè)月后發(fā)生滲漏,B泵、C泵也發(fā)生了不同程度的開裂,且3臺泵的裂紋均出現(xiàn)在泵體頂部或者底部。為查找注水泵開裂原因,本文采用宏觀形貌分析、無損檢測、解剖分析、微觀分析(XRD & EDS)、腐蝕產(chǎn)物分析(SEM)、理化性能分析及有限元分析等技術(shù)手段,對最先滲漏的A泵進(jìn)行失效分析,從而查找材料、工藝、操作或管理上的缺陷,對預(yù)防類似事故再次發(fā)生具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)及結(jié)果

本文采用Super Check滲透探傷劑對注水泵泵體進(jìn)行滲透探傷,采用德國SPECTRO Lab 11型直讀光譜儀和CS-600紅外碳硫儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,采用德國Zwick PSW750型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),采用德國Zwick Z600型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),采用美國Wilson Tukon 2500型全自動(dòng)維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測試,采用德國Zeiss Observer A1m金相倒置顯微鏡進(jìn)行金相分析,采用日本Rigaku Smartlab(9 kW)型X射線衍射儀進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物分析,采用德國Zeiss EVO 18型掃描電鏡進(jìn)行微觀形貌及能譜分析。

1.1 宏觀分析

失效泵體A泵內(nèi)表面腐蝕較嚴(yán)重,存在大面積點(diǎn)蝕坑,失效泵體照片見圖1；底部裂紋軸向貫穿內(nèi)孔,徑向貫穿密封面,裂紋較直,局部位置已擴(kuò)展至螺栓孔的位置,見圖2。對A泵泵體進(jìn)行著色滲透探傷,發(fā)現(xiàn)1#、3#缸內(nèi)孔6點(diǎn)鐘方向存在裂紋,4#、5#缸在6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘方向附近存在貫穿壁厚的裂紋,滲透檢測情況見圖3。

圖1 失效泵體照片F(xiàn)ig.1 Photo of failure pump

圖2 泵體裂紋照片F(xiàn)ig.2 Photo of crack of pump body

圖3 滲透檢測照片F(xiàn)ig.3 Photo of penetrant inspection

1.2 解剖分析

采用線切割機(jī)床對A泵泵體3#、4#、5#缸的12點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘4個(gè)方向分別進(jìn)行解剖分析,可見12點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘方向的裂紋均起源于缸體水平內(nèi)孔和垂直內(nèi)孔交匯處,并向水平和垂直方向擴(kuò)展,缸體表面附著黃褐色腐蝕產(chǎn)物，4#缸6點(diǎn)鐘位置裂紋形貌見圖4。

圖4 4#缸6點(diǎn)鐘位置裂紋形貌照片F(xiàn)ig.4 Photo of crack appearance at 6 o’clock location on cylinder 4#

截取水平內(nèi)孔的橫截面試樣,可見表面存在多處微小腐蝕坑,且腐蝕坑底部均有微裂紋萌生,最深約1 mm。有一條從外部延伸至該橫截面的一條主裂紋,貫穿橫縱兩個(gè)方向,該裂紋的起源同樣位于內(nèi)孔交匯處,且有明顯的腐蝕坑存在,說明裂紋起源于腐蝕坑底部,見圖5。因此,推測該注水泵的開裂跟腐蝕有關(guān)。

a)腐蝕坑底部裂紋a)Crack at the bottom of corrosion pit

b)主裂紋及起裂點(diǎn)b)Main crack and crack initiation point

3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向試樣見圖6,內(nèi)壁表面發(fā)生了輕微腐蝕,局部位置存在蜂窩狀腐蝕坑,表面及橫截面未見明顯裂紋,該位置處于結(jié)構(gòu)突變處,局部區(qū)域流速大,推測為氣蝕所致。

圖6 3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向內(nèi)壁形貌照片F(xiàn)ig.6 Photo of inner appearance wall at 3 o’clockand 9 o’clock location

1.3 微觀及能譜分析

對裂紋微觀形貌及微區(qū)成分進(jìn)行分析。觀察圖4主裂紋末端及圖5a)腐蝕坑底部裂紋形貌,可見裂紋較直且內(nèi)部均充滿了腐蝕產(chǎn)物,見圖7。對圖4主裂紋末端基體及裂紋內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,見表1,可知腐蝕產(chǎn)物主要為Fe、O、C和少量Cl元素等,主要為基體、鐵的氧化物和來自海水的Cl元素,Cl-是引起點(diǎn)蝕的主要因素[7-9]。

圖7 腐蝕坑底部的裂紋微觀形貌圖Fig.7 Micro-appearance of the crack at the bottom of corrosion pit

表1 主裂紋末端EDS元素分析結(jié)果表

使用切割機(jī)將圖4裂紋源附近切開,形成兩個(gè)斷口,將斷口清洗后進(jìn)行觀察,斷口平直,無明顯塑性變形,為典型的脆性開裂,斷口腐蝕較嚴(yán)重,表面已全部由腐蝕產(chǎn)物覆蓋,見圖8,微區(qū)化學(xué)成分顯示主要為Fe、O、C。

圖8 斷口表面腐蝕產(chǎn)物形貌圖Fig.8 Micro-appearance of corrosion product on fracture surface

1.4 腐蝕產(chǎn)物XRD分析

收集內(nèi)孔表面腐蝕產(chǎn)物、裂紋附近的塊狀腐蝕產(chǎn)物及粉末狀腐蝕產(chǎn)物,分別記為F1#、F2#、F3#。試樣經(jīng)酒精清洗后,通過X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相鑒定,掃描角度2θ:3°～80°,采樣步寬為0.02,波長λ=1.541 nm,測試結(jié)果見圖9,物相分析結(jié)果見表2。腐蝕產(chǎn)物中Fe2O3、Fe3O4主要為鐵的氧化物,FeOOH為中間產(chǎn)物,Fe3C為碳鋼被腐蝕后殘留的金屬基體,說明注水泵內(nèi)表面主要發(fā)生氧腐蝕[10-11]。

圖9 XRD測試數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)卡片對比圖Fig.9 Comparison of XRD test data and standard card

表2 XRD物相分析結(jié)果表

1.5 化學(xué)成分分析

對3#、4#、5#缸缸體化學(xué)成分進(jìn)行分析,檢測標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A751—14 a Standard Test Methods,Practices,and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products,檢測結(jié)果見表3,可見C元素含量偏高,超出標(biāo)準(zhǔn)要求,提高碳含量可升高鋼的強(qiáng)度,但Fe3C數(shù)量會增多,耐蝕性明顯現(xiàn)下降[12-13]。

表3 化學(xué)成分表

1.6 金相分析

為排除因泵體鍛件在生產(chǎn)或熱處理階段造成的表面或內(nèi)部缺陷,采用金相倒置顯微鏡對組織、夾雜物、脫碳層等進(jìn)行分析。檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》。

金相分析結(jié)果顯示,3個(gè)缸體橫截面試樣的表面及中心組織均為回火索氏體,屬典型的調(diào)質(zhì)組織,晶粒度10級,表面無脫碳,未發(fā)現(xiàn)異常組織和非金屬夾雜物,宏觀低倍檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷,見圖10。裂紋附近組織為回火索氏體,未見明顯脫碳現(xiàn)象,說明裂紋是在鍛件熱處理之后形成的。裂紋內(nèi)部存在較多腐蝕產(chǎn)物,主裂紋末端和微裂紋均較直,裂紋主要呈穿晶型,見圖11。

圖10 金相組織圖Fig.10 Metallographic structure

圖11 裂紋末端形貌圖Fig.11 Features of crack tip

2 分析與討論

根據(jù)引進(jìn)的3臺往復(fù)式注水泵工作原理可知,失效泵是一種容積泵,通過借助工作腔里的容積周期性變化來達(dá)到輸送液體的目的,分為吸入和排出行程。吸入行程:工作容積增加,缸內(nèi)壓力下降,吸入閥打開,排出閥關(guān)閉,液體從填料涵一側(cè)進(jìn)入缸內(nèi)。排出行程:工作容積減少,缸內(nèi)壓力增加,吸入閥關(guān)閉,排出閥打開,液體從填料涵一側(cè)排出泵缸,因此注水泵泵體內(nèi)壁受到反復(fù)的交變應(yīng)力作用。每個(gè)缸體之間不連通,只與上下出入口、填料涵一側(cè)相連通。

根據(jù)現(xiàn)場工況可知,A泵操作壓力為11～18 MPa,操作溫度約30 ℃,總流量約1 000～1 600 m3/d,運(yùn)行速度為190 r/min,內(nèi)部注入水主要為納濾海水(V30大于7.0 L,含氧小于0.50 μg/L,含鐵小于0.2 mg/L)。

根據(jù)理化分析結(jié)果可知,注水泵泵體碳含量超出API 674標(biāo)準(zhǔn)中對4130鋼的技術(shù)要求,材質(zhì)不合格。根據(jù)金相分析可知泵體基體和裂紋附近未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷組織、夾雜物、脫碳現(xiàn)象,因此,可以排除熱處理產(chǎn)生的開裂。

根據(jù)腐蝕產(chǎn)物分析推測注水泵內(nèi)表面主要發(fā)生氧腐蝕,這是因?yàn)楹Ｋ写嬖谝欢康娜芙庋?氧作為去極化劑[14],獲得電子,被還原成OH-,OH-與Fe反應(yīng)形成腐蝕沉淀,并被溶解氧氧化成鐵銹,Fe2+與海水中的Cl-反應(yīng)生成可溶于水的FeCl2,與介質(zhì)或陰極區(qū)的OH-反應(yīng)生成“褐銹”Fe(OH)2,與溶液中的水和氧很快又轉(zhuǎn)化為其他形式的鐵銹(如Fe2O3)和Fe(OH)3,Fe(OH)3失水就形成水合氧化物FeOOH[15]。另一方面,海水中Cl-含量較高,水溶液導(dǎo)電性較強(qiáng),電解質(zhì)的電阻低,Cl-易達(dá)到金屬表面,加快局部點(diǎn)蝕?；w與腐蝕產(chǎn)物膜界面處的雙層結(jié)構(gòu)容易優(yōu)先吸附Cl-,使得界面處濃度升高。Cl-在部分區(qū)域會積聚成核,導(dǎo)致該區(qū)域陽極溶解加速,金屬基體會向深處腐蝕,形成點(diǎn)蝕坑陽極金屬溶解,加速腐蝕進(jìn)程,這就是Cl-對局部腐蝕的催化作用[16-17],也是注水泵內(nèi)表面出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕坑的主要因素。

陽極反應(yīng):

(1)

(2)

(3)

(4)

陰極反應(yīng):

(5)

Cl-陽極去極化作用:

(6)

(7)

通過宏觀形貌分析可知,注水泵缸體內(nèi)孔表面腐蝕較嚴(yán)重,存在大面積微小點(diǎn)蝕坑,缸體的3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向未見明顯裂紋;開裂主要集中在缸體6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘方向,起裂位置位于水平內(nèi)孔與垂直內(nèi)孔交匯處,并向水平和垂直兩個(gè)方向擴(kuò)展延伸。通過橫截面試樣可見裂紋均萌生于腐蝕坑底部,說明注水泵開裂與腐蝕有關(guān)。

對注水泵泵體在水平和垂直內(nèi)孔交匯處的腐蝕坑底最先起裂原因進(jìn)行進(jìn)一步分析,海水介質(zhì)在泵的吸入和排出過程中產(chǎn)生加速和減速運(yùn)動(dòng),造成缸體內(nèi)壁持續(xù)受到從0到18 MPa的壓力變動(dòng),也就是說缸體內(nèi)壁受到了循環(huán)的交變載荷作用。而缸體內(nèi)孔交匯處的6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘方向剛好是缸體結(jié)構(gòu)發(fā)生突變(接近90°)的地方,推測可能跟此處所受應(yīng)力有關(guān)系。于是,采用ANSYS 15.0有限元分析軟件對注水泵內(nèi)表面的應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

注水泵在運(yùn)行過程中進(jìn)、出水流程相似,因此,建立1/2對稱模型計(jì)算泵體內(nèi)壁應(yīng)力分布情況,網(wǎng)格劃分見圖12。為分析點(diǎn)蝕坑對應(yīng)力的影響,在6點(diǎn)鐘方向預(yù)制了一個(gè)直徑為1 mm的圓形坑,見圖12箭頭所示,缸體內(nèi)壁施加壓力載荷18 MPa。計(jì)算結(jié)果見圖13,可見內(nèi)壁3點(diǎn)鐘方向應(yīng)力最小,而內(nèi)孔交界線上6點(diǎn)鐘及12點(diǎn)鐘方向應(yīng)力較大,達(dá)70 MPa,約為壓力載荷的3.9倍。應(yīng)力最大點(diǎn)位于6點(diǎn)鐘方向預(yù)制的1 mm凹坑底部,高達(dá)100 MPa,約為腔體壓力載荷的5.5倍。研究成果顯示內(nèi)孔相交造成的應(yīng)力集中可使局部應(yīng)力高出若干倍,這將促進(jìn)腐蝕坑底的裂紋萌生和長大[18-20]。由此可見,內(nèi)孔交匯處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,在腐蝕坑缺陷存在的情況下,將進(jìn)一步加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而促進(jìn)裂紋的萌生與擴(kuò)展。因此,根據(jù)以上論據(jù)推斷注水泵泵體是在受到腐蝕介質(zhì)和交變載荷的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的腐蝕疲勞開裂。

圖12 對稱模型圖Fig.12 Symmetric model

圖13 內(nèi)孔處應(yīng)力分析結(jié)果圖Fig.13 Stress analysis results at inner bore

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1) 注水泵碳元素超出API 674標(biāo)準(zhǔn)的要求,材質(zhì)不合格。

2) 注水泵內(nèi)表面多處存在點(diǎn)蝕坑,在海水介質(zhì)中的耐蝕性較差。

3) 注水泵泵體是在腐蝕介質(zhì)和交變載荷的聯(lián)合作用下造成的腐蝕疲勞開裂。

3.2 建議

1)應(yīng)加強(qiáng)注水泵生產(chǎn)質(zhì)量控制,確保選用合格的泵體原材料。

2)注水泵泵體內(nèi)表面在機(jī)加工過程中,應(yīng)保證表面粗糙度要求,內(nèi)孔交匯處應(yīng)倒圓角,避免出現(xiàn)尖銳的棱角。

3)應(yīng)對注入海水進(jìn)行充分脫氧,注水泵在調(diào)試或停用期間,避免長時(shí)間接觸空氣,做好注水泵維護(hù)保養(yǎng)工作。

4)建議根據(jù)現(xiàn)場工況及內(nèi)部介質(zhì)特點(diǎn),采用耐蝕性能更好的泵體原材料。

5)泵體內(nèi)孔十字交匯處的圓角結(jié)構(gòu)特點(diǎn),會導(dǎo)致該處應(yīng)力集中最大,在設(shè)計(jì)階段,對泵體壁厚和強(qiáng)度校核時(shí),應(yīng)綜合考慮缸體形狀、載荷狀況、機(jī)加工精度、材料均勻性及對應(yīng)力集中的敏感性等因素,合理選用許用應(yīng)力值。