某高壓井口裝置平板閥開(kāi)裂的原因

張耀明, 杜志杰, 匡生平, 張春婉, 鄒光貴, 史盈鴿

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司, 庫(kù)爾勒 841000； 2.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司, 西安 710065)

平板閥是高壓井口裝置的重要組成部分，閥板與閥桿之間的螺母通過(guò)T型槽掛接，閥板與閥座之間采用硬密封，以保證其在惡劣工況下的密封性[1]。閥體和閥座不需要進(jìn)行熔覆密封，只需借助某種熱源,將具有特殊性能的合金材料熔覆在閥門(mén)密封面，就可以得到具有耐磨損、耐腐蝕、硬度高、抗刮傷、耐高溫等特殊性能的閥門(mén)，使其恢復(fù)原有形狀、尺寸[2]。

某油井平板閥回收后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，閥板發(fā)生開(kāi)裂，該平板閥從供井使用到回收共服役60 d，其型號(hào)為KQ78/65-105 EE，額定工作壓力為105 MPa，溫度級(jí)別為P.U(-29～121℃)，材料等級(jí)為EE級(jí)，規(guī)范級(jí)別為PSL3 ，性能級(jí)別為PR1。該平板閥熔覆層采用等離子噴焊工藝制備，填充金屬為Ni60合金。焊前清除平板閥待焊表面的油污、水銹等，在700～800 ℃預(yù)熱1 h，焊后經(jīng)700～800 ℃保溫1～2 h，之后隨爐冷卻。為查出該平板閥的開(kāi)裂原因，筆者進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開(kāi)裂平板閥長(zhǎng)為262 mm，寬度為118.18 mm，通孔直徑為78.3 mm。對(duì)平板閥表面進(jìn)行滲透探傷，如圖1所示，平板閥中部存在裂紋，裂紋長(zhǎng)度為65 mm，距通孔約40 mm，且裂紋位于圓形壓痕區(qū)域內(nèi)，壓痕是服役過(guò)程中閥板和閥座之間的擠壓摩擦造成的。

圖1 平板閥表面滲透探傷后的宏觀形貌Fig.1 Macro mophology of flat valve surface afterpenetrant inspection

1.2 化學(xué)成分分析

在平板閥基體部位取樣，采用ARL-3460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，平板閥的化學(xué)成分滿足API SPEC 6A-2010《井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 平板閥基體的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of substrate of flat valve

在平板閥敷焊層部位取樣，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，敷焊層主要含鎳、鐵、鉻、硼等元素。

表2 平板閥敷焊層的能譜分析結(jié)果Tab.2 Energy spectrum analysis results of weldinglayer of flat valve %

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在平板閥基體處取棒狀試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試樣標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5 mm，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，該平板閥基體的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度低于API SPEC 6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，斷后伸長(zhǎng)率滿足API SPEC 6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results

在基體上取縱向夏比沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向開(kāi)V型缺口，試驗(yàn)溫度為-29 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，平板閥的沖擊吸收功滿足API SPEC 6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Impact test result

維氏硬度試驗(yàn)采用高度為15 mm的硬度塊進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，平板閥基體和熱影響區(qū)的硬度均低于API SPEC 6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Vickers hardness test results

1.4 金相檢驗(yàn)

1.4.1 顯微組織觀察

如圖2a)所示，平板閥基體的顯微組織為馬氏體，對(duì)其進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和晶粒度評(píng)級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表6。如圖2b)所示，平板閥敷焊層顯微組織中白色區(qū)域?yàn)閵W氏體相，灰色區(qū)域?yàn)閺浬⑾?，黑色區(qū)域?yàn)槲龀龅挠操|(zhì)相。對(duì)各相進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，白色相顯微硬度為493 HV0.01，黑色相顯微硬度為1 783 HV0.01，灰色相顯微硬度為1 122 HV0.01，該敷焊層的析出相硬度極高，這些硬質(zhì)析出相為(Cr,Fe)23C6，Ni3B等[3]。如圖2c)所示，熱影響區(qū)組織顏色較暗。

圖2 平板閥基體、敷焊層和熱影響區(qū)的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure mophology of substrate a), welding layer b) and heat affected zone c) of flat valve

表6 平板閥基體中非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)及晶粒度Tab.6 Rating and grain size of non-metallic inclusions ofsubstrate of flat valve

1.4.2 敷焊層與基體界面處的缺陷檢驗(yàn)

在平板閥敷焊層與基體結(jié)合面處取樣，在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)合面處存在氣孔缺陷，如圖3所示。

1.4.3 敷焊層裂紋檢驗(yàn)

如圖4所示，敷焊層裂紋起源于結(jié)合面氣孔處，裂紋貫穿整個(gè)敷焊層。經(jīng)測(cè)量，平板閥敷焊層厚度為0.8 mm。

1.5 掃描電鏡分析

如圖5所示，沿敷焊層裂紋進(jìn)行機(jī)械打開(kāi)，在掃描電鏡(SEM)觀察下發(fā)現(xiàn)，其SEM形貌具有解理特征。敷焊層與基體結(jié)合面存在分層和氣孔，如圖6所示。

圖5 敷焊層開(kāi)裂面的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of cracked surface of welding layer

2 分析及討論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，平板閥敷焊層存在裂紋，平板閥敷焊層與基體界面處存在分層和氣孔。敷焊層裂紋起源于基體和敷焊層界面處的氣孔，裂紋貫穿整個(gè)敷焊層。敷焊層的開(kāi)裂面微觀形貌均呈解理特征。

平板閥敷焊層為鎳基合金，基體材料為1Cr13不銹鋼，兩種材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)均不同。噴涂結(jié)束至冷卻過(guò)程中，當(dāng)敷焊層由高溫冷卻至常溫時(shí)，敷焊層與基體的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的失配應(yīng)變[4]，導(dǎo)致敷焊層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，這是造成敷焊層與基體開(kāi)裂的主要原因。敷焊之前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱處理，可以減小敷焊層與基體之間的熱應(yīng)力，進(jìn)而減小敷焊層的殘余拉應(yīng)力。

根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，該平板閥敷焊層裂紋起源于敷焊層與基體界面的氣孔。在服役過(guò)程中，高速氣流通過(guò)閥門(mén)時(shí)，流場(chǎng)發(fā)生變化，氣流不穩(wěn)定，導(dǎo)致閥門(mén)產(chǎn)生振動(dòng)，閥板與閥座頻繁撞擊，導(dǎo)致敷焊層與基體界面氣孔、分層處產(chǎn)生裂紋。

平板閥敷焊層硬度較高，且局部存在硬質(zhì)相，在外力作用下，敷焊層內(nèi)各組織的應(yīng)變協(xié)調(diào)性較差，韌性較差，裂紋在敷焊層內(nèi)擴(kuò)展阻力較小，這也是敷焊層脆性開(kāi)裂的原因之一。

平板閥基體組織為馬氏體，晶界處有較多的碳化物析出，在敷焊過(guò)程中受熱使強(qiáng)度下降，這也是該閥板基體的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的原因。

綜上所述，推測(cè)該平板閥開(kāi)裂的主要原因是：平板閥敷焊層與基體界面存在分層和氣孔，服役過(guò)程中，閥門(mén)存在振動(dòng)，與閥座頻繁撞擊，導(dǎo)致敷焊層與基體界面的氣孔處產(chǎn)生裂紋，然后裂紋擴(kuò)展直至穿透整個(gè)敷焊層。敷焊層硬度高、韌性差也是開(kāi)裂平板閥的主要原因。

3 結(jié)論

平板閥基體的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。平板閥敷焊層出現(xiàn)開(kāi)裂，其開(kāi)裂機(jī)理為脆性開(kāi)裂，主要原因是：敷焊層硬度高、韌性差；平板閥敷焊層與基體界面處存在氣孔和分層，服役過(guò)程中，閥門(mén)存在振動(dòng)，與閥座頻繁撞擊，導(dǎo)致敷焊層結(jié)合面氣孔部位產(chǎn)生裂紋，然后裂紋擴(kuò)展直至穿透整個(gè)敷焊層而開(kāi)裂。