采氣井口裝置主要零部件的失效分析

董堯

摘要：本文首先闡述了淺析高壓采氣井口裝置的功用，接著分析了井口裝置受損情況，最后對高壓采氣井口裝置的設計進行了探討。希望能夠為相關人員提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：井口裝置;閥門;閥板;上法蘭

引言：

國內企業生產井口裝置已有二十多年的歷史，許多生產廠家對井口裝置的生產也積累了豐富的經驗。但井口裝置泄漏的事件還事有發生，使得生產現場隱藏安全環保隱患，所以對井口裝置主要零件失效原因的分析顯得尤為重要。

1淺析高壓采氣井口裝置的功用

從油田開發項目的實踐中可以清楚的看到，高壓采氣井口裝置的功用十分強大，它不僅可以應對高壓氣流的突然侵襲，而且，該裝置作為控制井口壓力和調節油氣產量，并把油氣誘導到輸油氣管去，必要時還可以作應急裝置來關門井口，其對于整個油氣資源開發項目的正常運作是非常重要的也具備一定的保障作用，如可以利用鉆油管和井眼間的空間來進行采氣減壓，可以在一定程度上阻止高壓風險事故的發生。從現實的角度來看，研究高壓采氣井口裝置的功能以及在整個資源開發項目中的能效，有利于更好的研究該裝置的優化策略，從而揚長避短，將裝置的效能更好的發揮出來。

1閥門失效分析

常見的閥門損壞失效模式多為腐蝕、磨損以及密封件損壞老化。腐蝕主要包含上文分析的電化學腐蝕和硫化物應力腐蝕;磨損的主要形式有腐蝕磨損、磨粒磨損、粘著磨損、沖蝕磨損。

失效的形式表現為多方面，其造成腐蝕失效的主要原因是：第一，介質對過流表面的不均勻坑蝕;第二，介質中的顆粒物以及腐蝕產物使閘板卡死;第三，電化學腐蝕，并且分布面積比較大以及沖蝕產生蝕槽;第四，閥桿于各零件連接處發生硫化物應力腐蝕，使閥桿長期使用后斷裂。

1.1降低閥門失效的措施

1）與介質接觸表面，提高機加工表面粗糙度，減少腐蝕介質的殘留。

2）閘板表面噴焊Ni60或噴涂WC-10Co-4Cr硬質合金，加強表面耐磨性。

3）閘板材料選用馬氏體不銹鋼，在保證強度的情況下，加強耐腐蝕性。

4）閥桿材料宜選用318不銹鋼或性能更好的耐蝕合金，能抗硫化氫均勻腐蝕，抗硫化物應力開裂。

2、閥板斷裂分析

2.1斷裂原因分析

（1）經力學性能試驗，發現該閥板基體材料的抗拉強度、屈服強度和縱向沖擊功均不符合標準技術要求。說明該閥板基體的強度和斷裂韌性均較低，在熱處理時工藝控制不當，回火溫度和回火時間不能滿足技術要求。

（2）在噴涂過程中，噴涂材料的性能、噴涂工藝參數以及敷焊合金層材料與基體材料的線膨脹系數和彈性模量等參數的不同，會造成殘余應力的大量存在。殘余應力對敷焊合金層的厚度、質量以及敷焊合金層構件精度、尺寸穩定性等方面有很大影響，是導致敷焊合金層開裂、剝落等失效形式的主要原因之一。

噴涂過程中，熔融的顆粒噴向基體表面時，在沖擊力的作用下，迅速擴展為層狀結構，后續的噴涂材料不斷疊加形成疊層結構，在層狀結構的界面處，存在大量的微觀缺陷。熔滴的快速凝固，導致冷卻過程中在層狀結構內部形成較大拉伸狀態的淬火殘余應力。

（3）所有斷口都起源于閥板的Ni60敷焊合金層，裂紋擴展至敷焊合金層與基體的界面時，分兩種情況來考慮：若界面存在大量的微觀缺陷，敷焊合金層與基體的結合力較弱，會形成界面裂紋，導致敷焊合金層與界面分層，甚至剝落;若界面微觀缺陷較少，敷焊合金層與基體的結合力較強，該部位可以看做帶缺口的試件，基體在該部位會產生應力集中，導致敷焊合金層裂紋貫穿界面進入基體內部直至斷裂。

（4）在敷焊合金層內存在較多析出硬質相，合金層與基體界面處又存在微觀缺陷（氣孔、縮孔）。高速流體對閥板導流孔的內壓引起合金層存在張應力，與合金層內殘余應力疊加，在硬質相和微觀缺陷部位產生應力集中，導致敷焊合金層產生了裂紋。基體材料的沖擊韌性較低，其臨界裂紋擴展阻力較小，裂紋擴展至合金層與基體界面易于貫穿到基體內，引起閥板斷裂。

（5）敷焊后保溫不當導致合金層組織存在較多析出硬質相。

2.2降低閥板斷裂的措施

1）采用12Cr13材質的閥板熱處理工藝為一淬兩回，淬火溫度950℃～1050℃，保溫時間2小時和第一次回火溫度700℃～750℃，第一次保溫時間2.5小時保持不變，增加一道回火工藝，回火時間650℃～700℃，保溫時間2.5小時。在滿足延伸率和端面收縮率的情況下提高材料的抗拉強度、屈服強度和沖擊功。

2）調整閥板敷焊Ni60的保溫溫度為700℃～750℃，保溫時間1.5小時，降低敷焊后的殘余應力，減少合金層組織析出的硬質相。

3、閥板噴涂層脫落及點蝕分析

3.1脫層原因及點蝕原因分析

采用噴涂WC-10Co-4Cr的閥板，涂層屬于物理結合，結合強度約71MPa，涂層晶間存在孔隙或極少數未熔顆粒，在高溫、高壓的腐蝕氣體和液體環境下，腐蝕介質會沿孔隙擴散到基體與涂層的界面發生腐蝕，影響粘接強度，而涂層的腐蝕速率與粘結強度有直接的關系，腐蝕速率隨著結合強度的升高而降低，腐蝕的起點從局部腐蝕開始，點蝕形成坑蝕，涂層表面會起泡，甚至沿基體逐漸脫落。涂層的孔隙率大產生的滲透性缺陷是影響涂層服役條件和使用壽命的重要因素[。

3.2降低閥板噴涂層脫落的措施

由于涂層屬于物理結合，疏松碳化鎢顆粒在撞擊WC粒子容易分散，分布更均勻，這樣有利于降低涂層的孔隙率，減少腐蝕介質從涂層擴散到基體材料中，因此建議采用疏松的碳化鎢顆粒。

4、上法蘭開裂失效分析

4.1開裂失效原因分析

上法蘭尺寸較大，此類零件在鍛造后冷卻初期，法蘭表層溫度低于心部，表層收縮大，收到心部的阻礙，于是表層產生拉應力而心部產生與其平衡的壓應力。隨著冷卻的繼續進行將發生這種變化：在冷卻初期表層的拉應力得到較大的松弛，到了冷卻后期心部收縮對表層產生附加壓應力，使熱應力方向發生改變，為表層壓應力而心部拉應力。

在淬火冷卻的后期上法蘭外層金屬已先于內部冷至低溫，而這時上法蘭內部的溫度仍然很高，繼續降溫時內部必然產生體積收縮，從而受到外部的強烈阻礙，而在上法蘭中心部位產生三向拉應力，其最大拉應力作用在截面的中心處，因而開裂最容易在中心處形成;以及因溫度不同時發生馬氏體轉變所形成的組織應力，容易使該上法蘭鍛件產生冷卻裂紋。

4.2降低上法蘭開裂的措施

建議通過更充分的鍛造工藝可以減輕混晶帶來的不利影響，采取砂冷的措施降低鍛造冷卻過程的冷卻速度。

結束語：

本論文以失效的閥門、斷裂失效與涂層剝落的閥板和開裂失效的上法蘭件為研究對象，通過理論分析和損傷零件的破壞分析，確定其失效機制，據此，可以合理地解決石油井口裝置在制造與使用過程中所出現的損壞現象。

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