某氣井井口管線計量閥刺漏原因

李循跡，李先明，陳東風，王福善，常澤亮，何銀達，林冠發

（1.中國石油塔里木油田分公司，庫爾勒841000；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065）

1 概況

2012年2月5日，采氣人員巡檢閥室時，發現某井單井管線的計量閥發生刺漏，隨后采用現場緊固的方法，但剌漏并未得到控制。現場技術人員通過泄壓、更換閥門、反向建壓和檢漏，才恢復了正常生產。該氣井從投產至發現計量閥（球閥）壓蓋處刺漏，其安全運行471d。計量閥屬于球形結構閥，安裝在井口的天然氣外輸管道上，用于計量氣井所產天然氣氣量。

（1）計量閥刺漏部位 現場人員發現剌漏位置在閥門兩側，且剌漏氣量較大。對更換后的計量閥進行裝配復原，再現了該閥門在計量管線上安裝的情況和出現剌漏的位置，見圖1。

（2）閥門球體損傷情況 圖2是該計量閥內

閥球的正面（壓蓋部分）和頂部的損傷情況。該閥球的正面由中心球臺園形薄層及環形球臺薄層兩部分組成，兩者之間存在環形線接縫（參見圖3和圖4）。通過觀察和測量發現，失效閥球的這一接縫已形成較寬的縫隙，深度最大達到4.5mm。閥球正面與球體接縫處也形成一條寬度不等的溝槽，溝槽平均深度為5～6mm，被沖刷流道一側球體一部分已被完全腐蝕，在流道入口處被腐蝕最大深度達到12mm，但與壓蓋對稱側則并未產生明顯的損傷。同時通過溝槽底部和螺絲緊固處暴露出來的內部材料可看出，閥球內部基材為鑄鐵材質，耐CO2腐蝕性能較差，但具有較好的耐沖刷性能。

（3）閥門閥室內部損傷情況 圖5和圖6是計量閥內表面及密封圈附近的損傷情況。閥內密封環周圍腐蝕坑寬為12mm左右，最大的腐蝕深度達到了19mm。同時可觀察到，密封環過盈裝配連接處是腐蝕沖刷最嚴重的地方。

2 檢測方法

對腐蝕損傷的球閥腔體進行切割，用自來水和無水乙醇清洗干凈后，對鑄鐵部分進行金相組織和化學成分分析，對其表面腐蝕產物進行能譜分析，對閥體內表面鍍層和密封件進行化學成分分析。

3 失效原因分析

（1）計量閥材質與結構原因 該閥門閥體和閥球的基材為WCC優質碳素鑄鋼（其化學組成檢測結果見表1，符合GB／T12229-1989標準要求，其金相組織中的鐵素體和珠光體形貌及其能譜分析結果見圖7），具有較高強度和抗沖刷性能。閥體內表面和密封環為化學鍍鎳層（其化學組成檢測結果見表2，符合ASTM A494標準要求），壓蓋材質為Hastelloy C-22合金（全能鎳鉻鉬鎢合金UNS N06022元素成分見表3），這兩種材質具有優異的耐腐蝕性能及抗沖刷性能。

表1 閥體和閥球基體（鑄件）的化學成分 %

表2 閥體內表面鍍層和密封環的化學成分%

表3 壓蓋材質Hastelloy Cˉ22合金化學成分

該計量閥壓蓋是兩部分組成的，連接處存在接縫。盡管哈氏合金屬于耐蝕合金，但接縫仍然容易產生縫隙腐蝕，隨時間延長，將加深加寬。當腐蝕到基體鑄鐵時，縫隙腐蝕加劇，同時鑄鐵與哈氏合金間的電偶腐蝕也將加劇這一腐蝕過程。可見，該鑄鐵的腐蝕產物除所含有CO2腐蝕產生的成分外，還含鉛、鉬、銅和鈦元素，而這些元素在鑄鐵中并沒有這么高，應是閥體中內表面鍍層、密封環和壓蓋的合金元素，說明沖刷腐蝕作用造成了它們的損耗而附著或夾雜在腐蝕產物中。但是，腐蝕產物中鉛含量高達18.2%，而閥體的鑄鐵、內表面鍍層、密封環和壓蓋中不含鉛，因此只能由閥體的上游攜帶而來，即嚴重的沖刷腐蝕使得上游的含鉛合金發生了部分磨損且腐蝕，其沖刷腐蝕產物隨流體流動而在計量閥體中沉積。

該氣井所產出的流體經二級節流后，出口管線溫度為70.28℃，壓力為13.46MPa，其流體的組成為（質 量 分 數／%）：C188.6，C27.71，C31.58，C40.322，N20.656，CO20.349。由于該介質中含CO2氣體組分，與介質中少量凝結水蒸汽可在接縫處形成含CO2溶液，構成縫隙腐蝕和電偶腐蝕的腐蝕性介質，從而導致縫隙腐蝕和電偶腐蝕。計算可知，CO2分壓達到0.047MPa，根據NACE 0179-2005標準判斷，該腐蝕介質的腐蝕性為中度。

（2）壓蓋與球體間溝槽損傷原因 該球閥的壓蓋材質是哈氏合金，而球體表面則是鍍鎳處理層（或稱為鎳鍍層），都是非常耐蝕的材質。壓蓋與球體通過壓蓋邊包覆鑄鐵球體后，鍍上鎳基合金的，通過觀察未使用的閥球發現，廠家電鍍完成后又進行壓蓋與球體接縫處的圓化切削處理。經圓化切削處理后，可發現未使用的閥球在上述接縫處有部分基體鑄鐵暴露出來，由于鑄鐵耐CO2腐蝕性能較差，因而暴露出來的部分鑄鐵基體就成為腐蝕的薄弱環節。失效閥球的接縫處發生腐蝕溝槽正是這些原因引起的腐蝕損傷。

對接縫處的腐蝕溝槽形成過程如下，暴露出來的鑄鐵在腐蝕性介質中發生腐蝕形成溝槽，同時伴隨著大流量輸送腐蝕介質的沖刷作用，隨時間延長，介質的腐蝕和沖刷使得溝槽加深，最終形成腐蝕溝槽損傷的結果。同時在壓蓋與球體間暴露出來的鑄鐵與耐蝕性的壓蓋和表面有鍍鎳的球體分別形成一對大陰極小陽極的電偶腐蝕，也是形成腐蝕溝槽的重要原因之一。

根據作業區提供的資料表明，該井的合理工藝產量為50×104m3·d-1，目前產量89.96×104m3·d-1，最高配產時產量105×104m3·d-1，大大超過了設計產量，所以在閥室內存在嚴重的沖蝕作用。當這么大流速的流體通過閥球和密封圈后，可形成渦流，如遇凝結水可形成氣泡，這些氣泡不斷形成和破滅，都對閥體內表面產生劇烈的沖擊即氣蝕作用，隨時間延長可在接觸的材料表面形成麻點甚至蝕坑。因此閥體內表面產生的較深的溝槽是由上述的腐蝕、沖蝕、氣蝕及電偶腐蝕共同作用的結果。

（3）閥室內表面損傷原因 閥室內表面密封圈附近的損傷坑，主要是流體進入閥室后，當閥門正常全部打開時，應當流經與閥球中心的通道，當流體通過時，可在閥室內形成一定沖刷腐蝕。當閥門未完全打開時，這一沖刷作用更加嚴重，同時還將伴隨氣泡沖蝕作用。這是流體通過正常合格閥室都存在的損傷作用。

通過對失效閥室內表面仔細觀察，可發現閥室內表面也作了鍍鎳處理，但表面很粗糙，即鑄鐵表面未進行或進行了簡單表面處理后就鍍鎳。因而盡管有鍍鎳層存在，但表面仍粗糙不光甚至有小坑或麻點存在，這些為沖刷腐蝕并形成溝槽提供了有利條件。

當腐蝕溝槽形成并達到一定深度以后，閥室的基體材料就會暴露出來，局部的鑄鐵材質與表面有鍍鎳的閥體形成一對大陰極小陽極的電偶腐蝕，在腐蝕介質的作用下，將快速腐蝕形成坑槽。在沖刷腐蝕作用下，這一電偶腐蝕將進一步加劇，最終導致了閥室出口端密封圈附近形成較深的腐蝕坑槽。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）計量閥的鑄鐵部分金相組織和化學組成，符合標準要求，而閥體的內表面鍍層、密封環和壓蓋的材質也符合標準要求。

（2）鑄鐵表面腐蝕產物成分分析表明，該計量閥的上游和其腔體內存在較嚴重的沖刷腐蝕。

（3）計量閥閥球壓蓋上的環形溝槽是腐蝕介質的沖刷腐蝕與縫隙腐蝕的結果，這與壓蓋留有這一環形縫隙結構缺陷有關。

（4）壓蓋與球體間暴露出來的鑄鐵是形成腐蝕坑槽的起因，但腐蝕溝槽的最終形成則是由沖蝕、氣蝕和電偶腐蝕共同作用的結果。

（5）閥室內表面的腐蝕溝槽起因在于閥室內表面粗糙不均勻而受到沖蝕和氣蝕作用，而后則由沖蝕、氣蝕和電偶腐蝕共同作用。

4.2 建議

（1）在作業區年度檢修期間，建議檢查抽查同類閥門腐蝕情況，更換腐蝕嚴重的閥門，防止發生人員、設備、生產事故。

（2）閥門所通過的流體流量太大，需要更換更大流量且與流量匹配的計量閥。

（3）計量閥制造商應改進閥門結構和制造工藝，如閥室內表面應經表面處理并檢查合格后再進行內表面的鎳電鍍；閥球壓蓋與球體的接縫處應先切削圓化處理后再進行電鍍，這樣可以保證基體表面全部被電鍍鎳復蓋而不致局部暴露造成局部腐蝕；閥球的壓蓋應直接采用一塊材料制成而不留有這樣的一個環縫，以防止引起縫隙腐蝕。