旋塞閥沖蝕失效原因分析

李安民，馮玲

1.荊州市世紀(jì)派創(chuàng)石油機(jī)械檢測(cè)有限公司 湖北荊州 434024

2.中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠 湖北荊州 434024

1 序言

某高壓壓裂設(shè)備在服役時(shí)，當(dāng)工作壓力增至約10000psi（1psi＝6.894757Pa）時(shí)，作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)壓力加載異常，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)其配件3in（1in＝25.4mm）旋塞閥公接頭處發(fā)生沖蝕，導(dǎo)致工作流體泄漏，沖蝕的旋塞閥如圖1所示。此次事件導(dǎo)致整個(gè)高壓壓裂機(jī)組停機(jī)，造成經(jīng)濟(jì)損失100多萬(wàn)元。失效的旋塞閥設(shè)計(jì)材料為40CrNi2Mo鋼，額定工作壓力為15000psi，失效的旋塞閥累計(jì)服役約120h。為查找失效原因，對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

圖1 沖蝕的旋塞閥

2 理化檢測(cè)

2.1 宏觀分析

從沖蝕的旋塞閥可見(jiàn)，工作流體從旋塞閥公由壬接頭部位發(fā)生泄漏，工作流體沿著旋塞閥公由壬接頭臺(tái)階處刺穿管壁，在接頭外壁與接頭連接件（三瓣）之間留下沖蝕痕跡，如圖2、圖3所示。

圖2 旋塞閥由壬臺(tái)階處沖蝕

圖3 旋塞閥由壬端外部連接件三瓣沖蝕

旋塞閥泄漏區(qū)呈扇形分布，內(nèi)壁裂紋短，外壁裂紋長(zhǎng)。旋塞閥由壬端內(nèi)壁刺穿部位如圖4所示。

圖4 旋塞閥由壬端內(nèi)壁刺穿部位

由圖4可見(jiàn)，內(nèi)壁刺裂紋寬約5m m、長(zhǎng)度約45mm，裂縫邊緣圓滑，呈明顯的刺穿沖蝕特征，裂縫對(duì)應(yīng)外壁臺(tái)階處，即幾何尺寸突變處，外壁裂紋長(zhǎng)度約90mm，外壁壁厚薄弱處布滿(mǎn)沖蝕痕跡。解剖沖蝕部位（見(jiàn)圖5），可發(fā)現(xiàn)沖蝕區(qū)分為兩部分，與內(nèi)壁刺穿裂紋平行的刺穿區(qū)和布滿(mǎn)孔洞的沖蝕區(qū)。刺穿區(qū)與刺穿裂紋平行，刺穿表面光滑，無(wú)肉眼可見(jiàn)的沖蝕坑，約占壁厚的1/4，由斷口可見(jiàn)其特征與內(nèi)壁刺穿裂紋特征相同，為高壓流體過(guò)載導(dǎo)致的管壁刺穿形成的區(qū)域。另一區(qū)域?yàn)闆_蝕區(qū)，布滿(mǎn)著大小不一的沖蝕坑，為高壓流體對(duì)裂紋表面和管外壁原沖刷形成的沖蝕區(qū)，原始裂紋已被工作流體沖刷破壞，形成沖蝕斷口。由此可見(jiàn)，旋塞閥公由壬接頭是先在軸間外圓弧過(guò)渡處產(chǎn)生裂紋，且裂紋沿著圓弧角臺(tái)階處向兩邊延伸，同時(shí)向管內(nèi)壁擴(kuò)展，最后發(fā)生由內(nèi)而外的沖蝕失效。

圖5 旋塞閥由壬端外壁沖蝕

2.2 幾何測(cè)量

旋塞閥由壬接頭部位取樣測(cè)量軸間圓弧角，實(shí)測(cè)圓弧角為R0.55 mm，如圖6 所示。設(shè)計(jì)為R1.2mm，因此機(jī)加工不符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 旋塞閥由壬端泄漏部位圓弧角度

2.3 化學(xué)成分分析

對(duì)泄漏的旋塞閥取樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，材料的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)40CrNi2Mo鋼的規(guī)定，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 旋塞閥化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)泄漏旋塞閥解剖進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出，旋塞閥的力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求。

表2 旋塞閥力學(xué)性能測(cè)試

2.5 金相分析

在旋塞閥裂紋處取樣進(jìn)行非金屬夾雜物分析，分析結(jié)果為細(xì)系A(chǔ)0.5、B0、C0.5、D0.5；粗系A(chǔ)0.5、B0、C0、D1.0，未發(fā)現(xiàn)冶金質(zhì)量和加工缺陷。裂紋附近金相組織為回火索氏體＋少量游離鐵素體，為正常的調(diào)質(zhì)組織，如圖7所示。

圖7 旋塞閥的金相組織

2.6 微觀形貌分析

旋塞閥斷口部位原始缺陷因沖蝕發(fā)生二次破壞，僅留下沖蝕斷口形貌，對(duì)其進(jìn)行斷口形貌分析，可見(jiàn)主要呈現(xiàn)腐蝕坑和沖蝕坑，高倍下呈韌窩狀，表面有氧化現(xiàn)象，為后期流體沖蝕形成的形貌特征，如圖8所示。

圖8 旋塞閥斷口微觀形貌

3 討論與分析

3.1 應(yīng)力分析

單純從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，公由壬端結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，加之圓弧角加工過(guò)小，實(shí)際加工圓弧角不到設(shè)計(jì)圓弧角的一半，更是加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)應(yīng)力云圖分析受力，公由壬端軸肩根部附近存在應(yīng)力集中，當(dāng)屈服強(qiáng)度為930MPa、軸間圓弧為R1.2mm時(shí)，公由壬軸肩最大內(nèi)應(yīng)力為753.9MPa；當(dāng)軸間圓弧為R0.8mm時(shí)，公由壬軸肩最大內(nèi)應(yīng)力為806MPa。由此可知，同樣的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力增大約50M P a[1]。由此可見(jiàn)，當(dāng)軸間圓弧急劇減小為R0.55mm時(shí)，其公由壬軸肩最大內(nèi)應(yīng)力會(huì)大幅增大，接近甚至超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，當(dāng)受力時(shí)在應(yīng)力集中部位就容易萌生裂紋。

從現(xiàn)場(chǎng)反饋情況發(fā)現(xiàn)，高壓管匯在服役期間，當(dāng)高壓流體通過(guò)時(shí)，旋塞閥發(fā)生較大幅度擺動(dòng)現(xiàn)象，尤其是每次開(kāi)始作業(yè)時(shí)，其擺動(dòng)尤為明顯。擺動(dòng)作用點(diǎn)集中于旋塞閥壁厚最小的公由壬部位，此處是與其他零件連接的部位，也是產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位。由此可見(jiàn)，旋塞閥公由壬軸肩的應(yīng)力集中部位在服役期間除了承受工作流體的壓應(yīng)力外，還承受著振動(dòng)應(yīng)力。

3.2 旋塞閥泄漏過(guò)程分析

由以上分析可見(jiàn)，旋塞閥在振動(dòng)應(yīng)力作用下，首先在旋塞閥公由壬軸肩部位圓弧過(guò)渡角的一側(cè)萌生了裂紋，因?yàn)檫^(guò)渡圓弧角半徑R較小，所以會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，易造成早期疲勞裂紋[2-4]。隨著服役次數(shù)的增加和服役時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋進(jìn)一步沿著圓弧角向管壁內(nèi)部擴(kuò)展，直至到達(dá)原壁厚的1/4時(shí)，此處的壁厚已經(jīng)不足以承受服役時(shí)的高壓流體壓力，當(dāng)加載到10000psi時(shí)，高壓流體沖破最薄弱的管壁部位，形成刺穿裂紋，并將原始裂紋及其外徑和連接三瓣沖蝕，發(fā)生沖蝕失效，導(dǎo)致壓力異常。

4 結(jié)論與建議

1）旋塞閥公由壬軸臺(tái)階處的圓弧過(guò)渡加工不當(dāng)是旋塞閥泄漏的主要原因。

2）旋塞閥安裝過(guò)程中無(wú)固定和減振措施，導(dǎo)致其受到額外工作應(yīng)力是其泄漏的次要原因。

3）控制機(jī)加工精度，同時(shí)加大旋塞閥公由壬軸臺(tái)階處的圓弧過(guò)渡至≥R2mm，或者設(shè)計(jì)成斜面，以減少此處的應(yīng)力集中。

4）增加減振及固定措施，從根本上減少此處受到額外的振動(dòng)應(yīng)力。