分享：某高压井口装置平板阀开裂的原因

摘 要:某高压井口装置平板阀表面发生开裂,通过宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、金相检 验以及扫描电镜分析等方法,分析了平板阀开裂的原因。结果表明:平板阀敷焊层材料硬度高、韧 性差,敷焊层与基体界面处存在分层和气孔,服役过程中阀门承受振动载荷,导致气孔处产生裂纹, 以后裂纹扩展直至穿透整个敷焊层而开裂。 

关键词:平板阀;敷焊层;气孔 

中图分类号:TE931                          文献标志码:B                        文章编号:1001-4012(2021)11-0023-04 

平板阀是高压井口装置的重要组成部分,阀板与 阀杆之间的螺母通过 T型槽挂接,阀板与阀座之间 采用硬密封,以保证其在恶劣工况下的密封性[1]。阀 体和阀座不需要进行熔覆密封,只需借助某种热源, 将具有特殊性能的合金材料熔覆在阀门密封面,就可 以得到具有耐磨损、耐腐蚀、硬度高、抗刮伤、耐高温 等特殊性能的阀门,使其恢复原有形状、尺寸[2]。 

某油井平板阀回收后经检验发现,阀板发生开 裂,该平板阀从供井使用到回收共服役60d,其型号 为 KQ78/65-105EE,额定工作压力为105MPa,温 度级别为P.U(-29~121℃),材料等级为 EE级, 规范级别为PSL3,性能级别为PR1。该平板阀熔 覆层采用等离子喷焊工艺制备,填充金属为Ni60合 金。焊前清除平板阀待焊表面的油污、水锈等,在 700~800℃预热1h,焊后经700~800℃保温1~ 2h,之后随炉冷却。为查出该平板阀的开裂原因, 笔者进行了一系列的理化检验与分析。

1 理化检验

 1.1 宏观观察 

开裂平板阀长为262mm,宽度为118.18mm, 通孔直径为78.3mm。对平板阀表面进行渗透探 伤,如图1所示,平板阀中部存在裂纹,裂纹长度为 65mm,距通孔约40mm,且裂纹位于圆形压痕区 域内,压痕是服役过程中阀板和阀座之间的挤压摩 擦造成的。 

1.2 化学成分分析

 在平板阀基体部位取样,采用 ARL-3460型直 读光谱仪进行化学成分分析,结果见表1。由表1 可知,平板阀的化学成分满足 APISPEC6A-2010 《井口装置和采油树设备规范》标准要求。

1.3 力学性能试验 

在平板阀基体处取棒状试样进行拉伸性能测试, 试样标距内直径为12.5mm,试验温度为室温,试验 结果见表3。由表3可知,该平板阀基体的抗拉强度、 屈服强度低于APISPEC6A-2010标准要求的下限 值,断后伸长率满足APISPEC6A-2010标准要求。 

在基体上取纵向夏比冲击试样,试样尺寸为 10mm×10mm×55mm,沿壁厚方向开V型缺口,试 验温度为-29℃,试验结果见表4。由表4可知,平板 阀的冲击吸收功满足APISPEC6A-2010标准要求。

维氏硬度试验采用高度为15mm 的硬度块进 行,试验结果见表5。由表5可知,平板阀基体和热影 响区的硬度均低于APISPEC6A-2010标准要求。

1.4 金相检验

 1.4.1 显微组织观察 

如图2a)所示,平板阀基体的显微组织为马氏 体,对其进行非金属夹杂物评级和晶粒度评级,结果 见表6。如图2b)所示,平板阀敷焊层显微组织中白 色区域为奥氏体相,灰色区域为弥散相,黑色区域为 析出的硬质相。对各相进行显微硬度测试,白色相 显微 硬 度 为 493 HV0.01,黑 色 相 显 微 硬 度 为1783HV0.01,灰色相显微硬度为1122HV0.01, 该敷焊层的析出相硬度极高,这些硬质析出相为 (Cr,Fe)23C6,Ni3B等[3]。如图2c)所示,热影响区 组织颜色较暗。 

1.4.2 敷焊层与基体界面处的缺陷检验 

在平板阀敷焊层与基体结合面处取样,在金相 显微镜下观察发现,结合面处存在气孔缺陷,如图3 所示。

1.4.3 敷焊层裂纹检验 

如图4所示,敷焊层裂纹起源于结合面气孔处, 裂纹贯穿整个敷焊层。经测量,平板阀敷焊层厚度 为0.8mm。

1.5 扫描电镜分析

 如图5所示,沿敷焊层裂纹进行机械打开,在扫 描电镜(SEM)观察下发现,其SEM 形貌具有解理 特征。敷焊层与基体结合面存在分层和气孔,如图 6所示。 

2 分析及讨论 

根据上述试验结果可知,平板阀敷焊层存在裂 纹,平板阀敷焊层与基体界面处存在分层和气孔。 敷焊层裂纹起源于基体和敷焊层界面处的气孔,裂 纹贯穿整个敷焊层。敷焊层的开裂面微观形貌均呈 解理特征。

平板阀敷焊层为镍基合金,基体材料为1Cr13 不锈钢,两种材料的线膨胀系数和弹性模量等参数 均不同。喷涂结束至冷却过程中,当敷焊层由高温 冷却至常温时,敷焊层与基体的线膨胀系数不同而 产生较大的失配应变[4],导致敷焊层产生残余拉应 力,这是造成敷焊层与基体开裂的主要原因。敷焊 之前对基体进行预热处理,可以减小敷焊层与基体 之间的热应力,进而减小敷焊层的残余拉应力。

根据金相检验结果可知,该平板阀敷焊层裂纹 起源于敷焊层与基体界面的气孔。在服役过程中, 高速气流通过阀门时,流场发生变化,气流不稳定, 导致阀门产生振动,阀板与阀座频繁撞击,导致敷焊 层与基体界面气孔、分层处产生裂纹。 

平板阀敷焊层硬度较高,且局部存在硬质相,在 外力作用下,敷焊层内各组织的应变协调性较差,韧 性较差,裂纹在敷焊层内扩展阻力较小,这也是敷焊焊接,在外力卸载后管体存在极大的张应力,甚至超 过焊缝强度,导致管道焊缝附近区域发生开裂。

钢板预弯长度不够、预弯弧度与管体不一致和 直缝焊之前管体缝隙宽度过大,均会使预弯区域存 在较大的应力集中,使管体在外力作用下萌生裂纹, 微裂纹的存在进一步促进氢的扩散渗透,从而形成 应力腐蚀开裂和氢致开裂。

BMS1400钢疏浚管表面划伤也是开裂的一个重 要诱因。通常,表面微小的划伤容易在腐蚀环境中诱 发管 道 开 裂,导 致 材 料 迅 速 失 效[11]。本 试 验 中 BMS1400钢疏浚管表面的划痕深度超过0.3mm,且 划痕内部可见数量众多的微裂纹。在腐蚀环境中,管 道表面划伤区域容易形成局部应力集中,诱发裂纹的 形成,促进氢的渗透扩散,从而加速材料失效。

3 结论 

(1)BMS1400钢疏浚管的化学成分、硬度和低 温冲击韧性均满足技术要求,裂纹区域未见夹渣或 夹杂物。 

(2)管道开裂属于外力导致的应力腐蚀开裂, 开裂原因包括应力、海水腐蚀和氢元素。管道浸泡 在海水中,存在氢的渗透扩散,管道表面划痕内部的 微裂纹进一步诱发氢致开裂,导致管道在应力集中 位置处发生开裂。 

(3)管道开裂位置主要出现在钢板卷取前的预 弯区域,表明开裂与卷板工艺不规范有关。制管加 工过程中,钢板预弯长度不足、预弯弧度不当及过弯量不足均会导致管道在该区域产生应力集中,使管 道在外力作用下发生开裂。

参考文献: 

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<文章来源   >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:23-26)>