分享：节流阀阀套断裂失效分析

张仁勇１ ２,柴 辉３,施岱艳１ ２,姜 放１ ２,李天雷１ ２,陈勇彬１ ２,曹晓燕１ ２

(１．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,成都 ６１００４１;

２．中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室酸性气田管材腐蚀与防护研究室,成都 ６１００４１;

３．中石油阿姆河天然气勘探开发(北京)有限公司,北京 １０２２００)

摘 要:国外某气田单井的井口节流阀阀套在运行１０d(天)左右后便发生了断裂失效.为了研究阀套的失效原因,对其宏观形貌、化学成分、显微组织、硬度和断口形貌等方面进行了分析.结果表明:阀套主要呈脆性断裂特征,表现形式为沿晶断裂,断裂与环向应力和轴向应力相关;裂纹从阀套外表面的点蚀坑底部萌生,沿壁厚方向扩展,阀套在受到较大的环向应力时发生应力腐蚀开裂.

关键词:节流阀阀套;沿晶脆性断裂;点蚀坑;应力腐蚀开裂

在天然气开采输送过程中,接触湿硫化氢、二氧化碳的管 道 系 统 和 设 备 会 面 临 腐 蚀 问 题,严 重的甚至会造成管道穿孔、阀门失效,引发天然气泄漏,导致经济损失甚至人员伤亡[１Ｇ２].国外某气田一口气井的 首 气 采 用 单 翼 投 运 模 式,在 正 常 生 产运行１０d(天)左 右 后 发 现 采 气 树 左 翼 节 流 阀 失效,经检查确 认 该 节 流 阀 的 阀 套 发 生 了 断 裂 脱 落

事 故. 据 资 料 显 示,该 气 井 的 井 口 温 度 约 为１００ ℃,关 井 油 压 ４２．８７ MPa,产 气 量 ２３３ ×１０４ m３??d－１,产水量２６m３??d－１左右,水中氯离子质量 浓 度５０００mg??L－１. 原 料 气 的 主 要 成 分 如表１所示.

为进一步 了 解 节 流 阀 失 效 原 因,避 免 其 他 同类型阀门再 次 发 生 类 似 失 效 事 故,笔 者 拆 检 该 左翼节流阀,从宏观形貌、化学成分、显微组织、硬度和断口形貌等方面对断落的阀套进行了理化检验和分析.

１ 理化检验

１．１ 宏观检验

现场取回的阀套如图１所示,阀套为管状,其上端的壁厚为３．１~３．３mm,内径约为７０mm,底部台阶处壁厚约为１２．５mm.节流阀的阀套上端断裂面呈极不规则的犬牙交错状,下端尾部台阶的内表面有明显的冲蚀痕迹,而腐蚀与冲刷的协同作用对金属材料造成的破坏远大于单独两种作用之和[３Ｇ５].

阀套整个外表面存在轻微点蚀现象,沿轴向的方向存在数条明显的裂纹,其中最长的贯穿裂纹长度约为１７mm.

１．２ 化学成分分析

在阀套 上 选 取 裂 纹 明 显 的 部 位 进 行 取 样,如图２所示.根据 GB/T２２３系列标准、GB/T２０１２３－２００６,采用化学分析法对阀套所取试样进行化学成分分析,结果显示该阀套材料的化学成分与 ASTMA１８２－１４a[６]中 UNS４１０００马氏体不锈钢的化学成分相符,如表２所示.

１．３ 金相检验

ASTM A１８２－２０１５中要求 UNSS４１０００马氏体不锈钢的热处理工艺为正火 ＋ 回火处理.根据GB/T１３２９８－２０１５«金 属 显 微 组 织 检 验 方 法»和GB/T１３２９９－１９９１«钢的显微组织评 定 方 法»,在MIASＧ２０００金相图像分析仪下观察试样的显微组织,如 图 ３ 所 示,为 回 火 马 氏 体,符 合 ASTMA１８２－２０１５的要求.

１．４ 硬度测试

从阀套无裂纹区域取样,根据 GB/T４３４０．１－２００９«金属材 料 维 氏 硬 度 试 验 第 １ 部 分:试 验 方法»,采用 HVＧ１０维氏硬度计对试样进行维氏硬度测试,测试点位于试样横截面上.结果如表３所示,可见阀套硬度满足ISO１５１５６Ｇ３:２０１５[７]中的硬度要求.但马氏体硬度高、脆性大,在湿硫化氢环境下开裂敏感性较高[８Ｇ９].

１．５ 断口分析

１．５．１ 断口宏观分析

从断口宏观形貌可以看出,断口未出现明显的塑性变形,呈脆性断裂特征,如图４所示.对图２中有裂纹的部位进行取样,将试样横截面打磨抛光后置于光学显微镜下进行观察,发现在径向横截面上一共出现了两条裂纹,其中较长的裂纹由外表面径向 方 向 扩 展,总 长 度 约 为 ２．５ mm,最 宽 处 约０．５mm,如图５所示.

１．５．２ 断口微观分析

将断口表面腐蚀产物用化学方法清洗之后,在扫描电镜下观察其微观形貌,如图６a)所示,整个断裂面大部分较为平整.断口主要呈脆性断裂特征,表面的局部区域存在大量的二次裂纹.由图６b)可知,该断口微观形貌主要为沿晶,晶粒轮廓明显,呈现出脆性沿晶断口中较典型的冰糖状(石状)形貌. 

１．６ 点蚀形貌分析

阀套内外表面上出现了很多坑状形貌,主要表现为点 蚀.在 外 表 面 非 断 口 区 取 样 观 察 点 蚀 坑,如图７a)所示,发现有裂纹从部分点蚀坑底部萌生,沿壁厚方向扩展,在点蚀坑底部还发现多条应力腐蚀微裂纹.而内表面也存在可能由于机械损伤造成的微小凹坑,凹坑的边缘规整圆滑,且在这些凹坑的尾部并未发现有微裂纹起源,如图７b)所示.在酸性环境中,马氏体不锈钢发生点腐蚀,在应力存在的情况下,腐蚀坑底部产生应力集中,易发生应力腐蚀开裂.

１．７ 断口腐蚀产物分析

通过JSMＧ６４９０LV 型扫描电镜观察发现,断口表面有一层不均匀的腐蚀产物,形状不规则,局部出现脱水而发生龟裂,呈现网状龟裂的“泥纹花样”,如图８所示.阀套断裂后,在流动的腐蚀环境中,这些腐蚀产物在断裂面形成一层较疏松的膜,且局部出现脱落.使用 GENESIS２０００XMS 型能谱仪对断口上的腐蚀产物进行能谱分析,结果如图９所示.腐蚀产物中存在碳、硫、氯、钙等元素,也出现了基体的主要元素如铁、铬、硅、锰等,结合表１原料气中含 H２S和 CO２ 等腐蚀性介质,推断腐蚀产物主要组成为有机物和铁的硫化物.

２ 分析与讨论

根据理 化 检 验 分 析 结 果,节 流 阀 阀 套 材 料 为UNS S４１０００ 马 氏 体 不 锈 钢,其 化 学 成 分 符 合ASTM A１８２－１４a的要求,硬度满足ISO１５１５６Ｇ３:２０１５的要求.阀套材料的显微组织为回火马氏体,但在湿硫化氢环境中开裂敏感性高.结合现场实际工况和阀套受力情况分析,正常工作状态下阀套由阀杆带动上下移动,通过对阀座孔开启和关闭来进行介质流量的控制,阀套在受到介质压力引起的较大环向应力的情况下容易发生应力腐蚀开裂.且微观观察到有裂纹从外表面点蚀坑底部萌生,沿壁厚方向扩展.

３ 结论及建议

(１)阀套断裂的性质为多源脆性断裂,主要表现为沿晶断裂,断裂与环向应力和轴向应力相关,阀套受到较大的环向应力引起了应力腐蚀开裂.

(２)建议改进阀套设计,减小阀套所受应力.同时,酸性环境中井口阀门材料的选择必须符合 API ６A－２０１０和ISO１５１５６/NACEMR０１７５－２０１５的 相关要求. 结果表明,惰轮附件面的实际受力高于理论计算受力.按照实际受力再次进行有限元分析,结果表明,零件开裂的安全系数偏低.考虑到断裂惰轮的结构特征及多数存在偏磨的影响,在一定路况下,惰轮铁轮的实际受力会大大超过设计时的理论受力,这会使惰轮在过渡圆角处产生弯曲交变载荷.当载荷超出材料的屈服强度时,就容易在应力集中点首先形成永久性损伤的微裂纹,裂纹在交变载荷中进一步扩展,致使惰轮铁轮发生早期疲劳开裂.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2017年 > 9期）