張仁勇１ ２,柴 輝３,施岱艷１ ２,姜 放１ ２,李天雷１ ２,陳勇彬１ ２,曹曉燕１ ２

(１．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,成都 ６１００４１;

２．中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室,成都 ６１００４１;

３．中石油阿姆河天然氣勘探開發(fā)(北京)有限公司,北京 １０２２００)

摘 要:國(guó)外某氣田單井的井口節(jié)流閥閥套在運(yùn)行１０d(天)左右后便發(fā)生了斷裂失效.為了研究閥套的失效原因,對(duì)其宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織、硬度和斷口形貌等方面進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:閥套主要呈脆性斷裂特征,表現(xiàn)形式為沿晶斷裂,斷裂與環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相關(guān);裂紋從閥套外表面的點(diǎn)蝕坑底部萌生,沿壁厚方向擴(kuò)展,閥套在受到較大的環(huán)向應(yīng)力時(shí)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.

關(guān)鍵詞:節(jié)流閥閥套;沿晶脆性斷裂;點(diǎn)蝕坑;應(yīng)力腐蝕開裂

在天然氣開采輸送過(guò)程中,接觸濕硫化氫、二氧化碳的管 道 系 統(tǒng) 和 設(shè) 備 會(huì) 面 臨 腐 蝕 問(wèn) 題,嚴(yán) 重的甚至?xí)斐晒艿来┛?、閥門失效,引發(fā)天然氣泄漏,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[１Ｇ２].國(guó)外某氣田一口氣井的 首 氣 采 用 單 翼 投 運(yùn) 模 式,在 正 常 生 產(chǎn)運(yùn)行１０d(天)左 右 后 發(fā) 現(xiàn) 采 氣 樹 左 翼 節(jié) 流 閥 失效,經(jīng)檢查確 認(rèn) 該 節(jié) 流 閥 的 閥 套 發(fā) 生 了 斷 裂 脫 落

事 故. 據(jù) 資 料 顯 示,該 氣 井 的 井 口 溫 度 約 為１００ ℃,關(guān) 井 油 壓 ４２．８７ MPa,產(chǎn) 氣 量 ２３３ ×１０４ m３??d－１,產(chǎn)水量２６m３??d－１左右,水中氯離子質(zhì)量 濃 度５０００mg??L－１. 原 料 氣 的 主 要 成 分 如表１所示.

為進(jìn)一步 了 解 節(jié) 流 閥 失 效 原 因,避 免 其 他 同類型閥門再 次 發(fā) 生 類 似 失 效 事 故,筆 者 拆 檢 該 左翼節(jié)流閥,從宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織、硬度和斷口形貌等方面對(duì)斷落的閥套進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)取回的閥套如圖１所示,閥套為管狀,其上端的壁厚為３．１~３．３mm,內(nèi)徑約為７０mm,底部臺(tái)階處壁厚約為１２．５mm.節(jié)流閥的閥套上端斷裂面呈極不規(guī)則的犬牙交錯(cuò)狀,下端尾部臺(tái)階的內(nèi)表面有明顯的沖蝕痕跡,而腐蝕與沖刷的協(xié)同作用對(duì)金屬材料造成的破壞遠(yuǎn)大于單獨(dú)兩種作用之和[３Ｇ５].

閥套整個(gè)外表面存在輕微點(diǎn)蝕現(xiàn)象,沿軸向的方向存在數(shù)條明顯的裂紋,其中最長(zhǎng)的貫穿裂紋長(zhǎng)度約為１７mm.

１．２ 化學(xué)成分分析

在閥套 上 選 取 裂 紋 明 顯 的 部 位 進(jìn) 行 取 樣,如圖２所示.根據(jù) GB/T２２３系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T２０１２３－２００６,采用化學(xué)分析法對(duì)閥套所取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果顯示該閥套材料的化學(xué)成分與 ASTMA１８２－１４a[６]中 UNS４１０００馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分相符,如表２所示.

１．３ 金相檢驗(yàn)

ASTM A１８２－２０１５中要求 UNSS４１０００馬氏體不銹鋼的熱處理工藝為正火 ＋ 回火處理.根據(jù)GB/T１３２９８－２０１５«金 屬 顯 微 組 織 檢 驗(yàn) 方 法»和GB/T１３２９９－１９９１«鋼的顯微組織評(píng) 定 方 法»,在MIASＧ２０００金相圖像分析儀下觀察試樣的顯微組織,如 圖 ３ 所 示,為 回 火 馬 氏 體,符 合 ASTMA１８２－２０１５的要求.

１．４ 硬度測(cè)試

從閥套無(wú)裂紋區(qū)域取樣,根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９«金屬材 料 維 氏 硬 度 試 驗(yàn) 第 １ 部 分:試 驗(yàn) 方法»,采用 HVＧ１０維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,測(cè)試點(diǎn)位于試樣橫截面上.結(jié)果如表３所示,可見(jiàn)閥套硬度滿足ISO１５１５６Ｇ３:２０１５[７]中的硬度要求.但馬氏體硬度高、脆性大,在濕硫化氫環(huán)境下開裂敏感性較高[８Ｇ９].

１．５ 斷口分析

１．５．１ 斷口宏觀分析

從斷口宏觀形貌可以看出,斷口未出現(xiàn)明顯的塑性變形,呈脆性斷裂特征,如圖４所示.對(duì)圖２中有裂紋的部位進(jìn)行取樣,將試樣橫截面打磨拋光后置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)在徑向橫截面上一共出現(xiàn)了兩條裂紋,其中較長(zhǎng)的裂紋由外表面徑向 方 向 擴(kuò) 展,總 長(zhǎng) 度 約 為 ２．５ mm,最 寬 處 約０．５mm,如圖５所示.

１．５．２ 斷口微觀分析

將斷口表面腐蝕產(chǎn)物用化學(xué)方法清洗之后,在掃描電鏡下觀察其微觀形貌,如圖６a)所示,整個(gè)斷裂面大部分較為平整.斷口主要呈脆性斷裂特征,表面的局部區(qū)域存在大量的二次裂紋.由圖６b)可知,該斷口微觀形貌主要為沿晶,晶粒輪廓明顯,呈現(xiàn)出脆性沿晶斷口中較典型的冰糖狀(石狀)形貌. 

１．６ 點(diǎn)蝕形貌分析

閥套內(nèi)外表面上出現(xiàn)了很多坑狀形貌,主要表現(xiàn)為點(diǎn) 蝕.在 外 表 面 非 斷 口 區(qū) 取 樣 觀 察 點(diǎn) 蝕 坑,如圖７a)所示,發(fā)現(xiàn)有裂紋從部分點(diǎn)蝕坑底部萌生,沿壁厚方向擴(kuò)展,在點(diǎn)蝕坑底部還發(fā)現(xiàn)多條應(yīng)力腐蝕微裂紋.而內(nèi)表面也存在可能由于機(jī)械損傷造成的微小凹坑,凹坑的邊緣規(guī)整圓滑,且在這些凹坑的尾部并未發(fā)現(xiàn)有微裂紋起源,如圖７b)所示.在酸性環(huán)境中,馬氏體不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕,在應(yīng)力存在的情況下,腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.

１．７ 斷口腐蝕產(chǎn)物分析

通過(guò)JSMＧ６４９０LV 型掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),斷口表面有一層不均勻的腐蝕產(chǎn)物,形狀不規(guī)則,局部出現(xiàn)脫水而發(fā)生龜裂,呈現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂的“泥紋花樣”,如圖８所示.閥套斷裂后,在流動(dòng)的腐蝕環(huán)境中,這些腐蝕產(chǎn)物在斷裂面形成一層較疏松的膜,且局部出現(xiàn)脫落.使用 GENESIS２０００XMS 型能譜儀對(duì)斷口上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖９所示.腐蝕產(chǎn)物中存在碳、硫、氯、鈣等元素,也出現(xiàn)了基體的主要元素如鐵、鉻、硅、錳等,結(jié)合表１原料氣中含 H２S和 CO２ 等腐蝕性介質(zhì),推斷腐蝕產(chǎn)物主要組成為有機(jī)物和鐵的硫化物.

２ 分析與討論

根據(jù)理 化 檢 驗(yàn) 分 析 結(jié) 果,節(jié) 流 閥 閥 套 材 料 為UNS S４１０００ 馬 氏 體 不 銹 鋼,其 化 學(xué) 成 分 符 合ASTM A１８２－１４a的要求,硬度滿足ISO１５１５６Ｇ３:２０１５的要求.閥套材料的顯微組織為回火馬氏體,但在濕硫化氫環(huán)境中開裂敏感性高.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和閥套受力情況分析,正常工作狀態(tài)下閥套由閥桿帶動(dòng)上下移動(dòng),通過(guò)對(duì)閥座孔開啟和關(guān)閉來(lái)進(jìn)行介質(zhì)流量的控制,閥套在受到介質(zhì)壓力引起的較大環(huán)向應(yīng)力的情況下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.且微觀觀察到有裂紋從外表面點(diǎn)蝕坑底部萌生,沿壁厚方向擴(kuò)展.

３ 結(jié)論及建議

(１)閥套斷裂的性質(zhì)為多源脆性斷裂,主要表現(xiàn)為沿晶斷裂,斷裂與環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相關(guān),閥套受到較大的環(huán)向應(yīng)力引起了應(yīng)力腐蝕開裂.

(２)建議改進(jìn)閥套設(shè)計(jì),減小閥套所受應(yīng)力.同時(shí),酸性環(huán)境中井口閥門材料的選擇必須符合 API ６A－２０１０和ISO１５１５６/NACEMR０１７５－２０１５的 相關(guān)要求. 結(jié)果表明,惰輪附件面的實(shí)際受力高于理論計(jì)算受力.按照實(shí)際受力再次進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明,零件開裂的安全系數(shù)偏低.考慮到斷裂惰輪的結(jié)構(gòu)特征及多數(shù)存在偏磨的影響,在一定路況下,惰輪鐵輪的實(shí)際受力會(huì)大大超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的理論受力,這會(huì)使惰輪在過(guò)渡圓角處產(chǎn)生彎曲交變載荷.當(dāng)載荷超出材料的屈服強(qiáng)度時(shí),就容易在應(yīng)力集中點(diǎn)首先形成永久性損傷的微裂紋,裂紋在交變載荷中進(jìn)一步擴(kuò)展,致使惰輪鐵輪發(fā)生早期疲勞開裂.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2017年 > 9期）