注水井口閘門閥桿斷裂原因分析

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(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著油田開發進入中后期，油田注水越來越受到重視。而注水井的安全運行及管理水平決定著油田的開發效果和壽命[1,2]。注水井的工作壓力一般為14～27 MPa，長期的高壓運行對閘門等井口設備的要求極高。此外，閘門的更換需要長時間的放壓，操作難度大、危險系數高[3-6]。因此閘門的失效不僅影響了注水井的正常運轉，同時也影響油田的生產效率。

1 失效概況

某油田注水井套管閘門公稱壓力為35 MPa，使用前地面試壓34.8 MPa合格后進行安裝，3日后對大四通及封井器試壓30 MPa合格。但使用半年后該井套管右側閘門突然噴出氣體，當時井口套管壓力約4 MPa。該閘門型號為PFK65-35型手動平板閥。發生事故時閘門為關閉狀態，介質作用在閥片底部，工作過程中未出現過載情況。通過檢查發現，閘門閥桿螺母(牌號：QAl9-4)斷裂，絲桿和閘板被頂開，閘門失效。

2 試驗與分析

2.1 宏觀分析

失效閘門外觀形貌如圖1所示，閥桿斷裂位置如圖2所示，閥桿斷口形貌如圖3所示。

由圖2可見，閥桿螺紋完整，未見異常變形，斷口位于閥桿螺紋臺肩處，斷口平面與閥桿軸向垂直，部分斷口面緊貼臺肩。從圖3可見，斷口平齊且有金屬光澤，未見明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征。

圖1 失效閘門宏觀形貌

圖2 閥桿斷裂位置

圖3 閥桿斷口形貌

2.2 化學成分分析

在圖2所示的閥桿螺紋部位取樣，依據GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》標準對閥桿材料的化學成分進行檢測，結果見表1。表1結果表明，閥桿的材料為Cu-Zn黃銅合金，其中Zn、Pb、Fe、Sn、Al、Ni的元素含量不符合GB/T 5231—2012要求，Pb、Zn、Sn元素含量分別超過標準要求91倍、40倍和 3倍以上，Al、Fe元素含量僅為標準最低值的2%和30%。

表1 化學成分分析結果(質量分數) %

2.3 夏比沖擊試驗

在圖2所示的閥桿螺紋部位取樣，采用PIT752D-2沖擊試驗機，依據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準要求進行沖擊性能試驗，試驗溫度為20 ℃，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm。經過試驗，所取的3個沖擊試樣沖擊吸收功分別為：1.5 J、1.7 J、1.6 J，平均值為1.6 J，該沖擊試驗結果表明，閥桿材料韌性差。

2.4 金相分析

在閥桿螺紋臺肩處分別取編號為1#、2#、3#試樣，其中1#、2#試樣存在裂紋，3#試樣無裂紋。依據GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2002標準，采用MeF3A金相顯微鏡及OLS 4100激光共聚焦顯微鏡進行金相分析，金相組織及晶粒度分析結果見表2。3個試樣在拋光狀態下均可見黑色點狀相，呈明顯的網狀分布，并有灰色塊狀相在視場中較均勻地分布；1#試樣拋光狀態下相分布形貌如圖4所示。1#和2#試樣斷口處有裂紋，周圍組織未見變形，裂紋起源于外表面臺肩根部，沿晶界擴展，如圖5所示。

2.5 掃描電鏡微觀形貌分析

采用TESCAN VEGA 3型掃描電子顯微鏡對失效斷口及沖擊試樣斷口形貌進行微觀分析，失效斷口及沖擊試樣斷口均呈冰糖塊狀形貌，具有明顯的脆性斷裂特征，如圖6和圖7所示。

表2 金相組織及晶粒度分析結果

圖4 拋光狀態相分布特征

圖5 臺肩處裂紋特征

圖6 失效斷口微觀形貌

圖7 沖擊試樣斷口微觀形貌

2.6 能譜分析

采用EDAX能譜分析儀對3#金相試樣表面進行能譜分析，其表面各成分形貌如圖8所示。在圖8所示的表面分別選取白色和黑色兩個位置進行能譜分析，如圖9所示。經過能譜分析，其化學成分質量分數能譜圖如圖10和圖11所示，能譜所分析的元素含量見表3和表4。以上能譜分析結果表明，沿晶界分布的點狀物為鉛，而均勻分布的黑色塊狀物質為鐵。

圖8 金相試樣表面形貌

圖9 能譜分析位置

圖10 位置1物質能譜分析圖

圖11 位置2物質能譜分析圖

元素質量分數/%Pb80.13Cu10.71Zn9.15合計100.00

表4 位置2物質能譜分析結果

3 分析與討論

斷裂失效閘門閥桿材料的化學成分分析結果不符合GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》標準對QA19-4(俗稱94銅)材料牌號的要求。該失效閥桿材料屬于Cu-Zn合金。閥桿材料室溫夏比沖擊結果吸收能平均值僅為1.6 J，該材料韌性差；閥桿材料金相組織為“β+富鐵相”，晶粒度為1.5級，晶粒粗大。

失效閘門斷裂部位為閥桿螺紋部位，宏觀分析閥桿斷裂于外表面臺肩處，斷口垂直于閥桿軸向，斷口平齊，無塑性變形，斷面有金屬亮面光澤。掃描電子顯微鏡斷口分析失效斷口及沖擊試樣斷口，微觀形貌具有“冰糖塊狀”特征，說明閥桿斷裂屬沿晶脆性斷裂。斷口處裂紋均為沿晶斷裂，也證明閥桿斷裂屬沿晶脆斷。沿晶脆斷產生的原因與閥桿材料質量有以下因果關系：

1)化學分析結果表明該閥門材料屬“CuZn”合金，金相分析閥桿材料組織為“β+富鐵相”，純β相是以電子化合物CuZn為基的成分可變的固溶體，為體心立方晶格，純β相的黃銅室溫下韌性較差。

2)金相及電鏡分析，閥桿材料中沿晶界分布的點狀相中Pb含量質量分數高達80.13%，Pb在合金中以獨立的游離相存在于晶界，Pb的這種存在方式可視為合金基體中產生了很多微小的空間，破壞了基體的連續性，使晶間結合力降低，晶界結合被削弱，產生晶界脆化傾向[7]。此外，Sn含量高出標準值34倍，Sn含量過高，合金中生成CuZnSn脆性電子化合物，亦可導致材料脆性增大[8,9]。

3)閥桿材料的晶粒度為1.5級，即晶粒平均尺寸僅為213 μm，晶粒粗大，相對強度較低。這是由于閥桿材料中Al含量僅為標準最低值的2%。肖翔鵬[10]等人的研究表明，Al不僅可以防止退火時晶粒過度長大，有效細化晶粒，還可形成堅固的抗蝕性氧化膜，提高合金強度。因此Al含量低，造成閥桿材料晶粒粗大。

斷裂閥桿結構表明，斷口位于壁厚差異較大的閥桿螺紋臺肩處，閘門工作過程中，該臺肩處存在應力集中，屬閥桿的薄弱區，當閥桿材料不良、脆性較大、強度較低時，臺肩處就會產生裂紋，根據斷裂能量消耗最小原理，裂紋擴展路徑總是沿著原子鍵結合力最薄弱的表面進行，閥桿螺紋臺肩裂紋一旦產生便迅速沿晶界擴展，直至穿透壁厚，閥桿斷裂，引起閘門失效。

4 結 論

1)該失效閘門材料為CuZn合金，Zn、Pb、Fe、Sn、Al、Ni元素不符合GB/T 5231—2012中對QAl9-4的要求。

2)閘門螺桿材料組織晶粒粗大、材料韌性差，閥桿材料質量不合格是造成斷裂失效的主要原因。