石油井口裝置關鍵部件失效機理分析

陳 軍

（大慶油田裝備制造集團采油裝備制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

石油井口裝置應用的安全與可靠將直接對石油開采工程建設效率產生直接影響，若是石油井口裝置安全性能無法滿足采油相關要求，將加劇石油開采工作實施難度，嚴重情況下將誘發井噴事故的發生，石油井口裝置應用過程中所涉及的元件數量較多，其中關系到開裂失效的上法蘭件及斷裂失效的閥板均屬于重要零部件，為保障石油井口裝置應用的合理性，必須分析石油井口裝置關鍵部分受力因素及失效因素，分析關鍵部件失效的因素，并采取針對性措施進行解決，以此保障石油井口裝置關鍵部件應用的效益，確保采油工作的順利開展，就石油井口裝置關鍵部件失效機理展開分析研究。

1 關鍵部件失效原因

在應用石油井口裝置過程中，受到采油企業生產環境的影響，關鍵部件的應用壽命大都會受到酸堿水平、壓力水平及溫度水平等多種因素的影響，對關鍵部件失效原因、機械能分析，可對影響關鍵部件正常工作的影響因素進行分析，以此進行針對性的改進和優化，保障石油井口裝置應用質量的合理性[1]。

1.1 腐蝕性損壞

腐蝕性損壞類型比較多，包括隙縫腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕等多種類型，由于石油井口裝置的工作環境特殊，極易受到腐蝕性及機械力雙重作用影響，導致應力腐蝕破裂，引起液態金屬脆裂、清脆、疲勞腐蝕破裂及磨損腐蝕破裂等多種損壞后果，可見，只有強化關鍵部件的防腐蝕工作，才可保障關鍵部件應用的可靠性，促進石油井口裝置應用的安全性，為降低石油井口裝置腐蝕概率，相關技術研究人員進行了不斷探索研究，為保障關鍵部件不受酸堿腐蝕因素影響，大都依靠涂覆類抗腐蝕材料對關鍵部件進行保護，并嚴格采用符合石油企業施工標準的材料進行生產，優化加工工藝，依靠先進的鍛造方式進行關鍵部件的制作，促進了關鍵部件應力許用值的增長。

1.2 機械力損壞

機械力損壞屬于關鍵部件損壞的最主要因素，其主要包括疲勞損害和恒力損害兩種類型。恒力損害主要包括脆性損害和延性損害兩種類型，機械力的破壞會嚴重影響關鍵部件的正常工作，關鍵部件在石油井口裝置應用中，所采用的加工工藝存在一定的差異性，所以其能承受的最大許用應力也存在一定差異性，無論是進行抗彎性能、抗剪性能還是抗拉性能檢測，均需要應用對應的極限值進行分析，若是機械力破壞力度過大，將嚴重影響石油井口裝置的質量，形成不可挽回的經濟損失，嚴重影響石油企業工作效率，對作業效率及施工安全均產生不良影響[2]。

1.3 高溫損壞

石油井口裝置關鍵部件破壞的最主要因素為高溫破壞，由于高溫腐蝕和高溫應力等因素影響產生的高溫破壞，會受到機械力與高溫的雙重作用，引起磨裂和硬化脆裂現象，高溫破壞也可與腐蝕破壞共同對石油井口裝置產生影響，其主要包括高溫硫化破壞和氧化破壞兩種。高溫破壞屬于腐蝕、機械和溫度三種因素的疊加影響，嚴重威脅石油企業生產安全，必須對石油井口裝置的可靠性能和安全性能進行綜合考量，不斷提升關鍵構建的抗破壞能力，以縮減石油開采工程事故的發生概率。

2 閥板斷裂

2.1 斷裂原因

開展力學性能分析實驗，發現閥板在應用過程中，其基本材料在抗拉強度、屈服強度及縱向沖擊功等多種方面均無法滿足標準技術施工要求，這一狀況表明閥板無論在斷裂韌性還是在強度上，都無法滿足井口裝置的相關要求。在開展熱處理時，無法選擇合理的控制工藝進行干預，回火溫度及回火時間無法滿足關鍵部件設置的基本標準。

在開展噴涂過程中，大都依據材料性能及工藝參數開展，由于膨脹系數、基體材料的彈性模量及敷焊合金層材料參數存在差異性，所以殘余應力廣泛存在，且殘余應力會嚴重影響敷焊合金層構建的尺寸和精準程度，影響其穩定性能，對敷焊合金層的厚度和質量產生不良影響，導致敷焊合金層在應用過程中出現開裂和剝落失效形式[3]。在開展噴涂過程中，若是顆粒熔融后向基層表面噴射，則會產生沖擊輔助力，拓展其層狀結構，在后續應用過程中，將會導致疊層結構的形成，層狀結構中會存在胃管缺陷。熔滴會快速凝固，淬火殘余應力會在冷卻過程中處于拉伸狀態，在層狀結構中顯現。斷口出現的原因大都是由于閥板Ni60 敷焊合金層的存在而引發，敷焊合金層及基體界面發生裂紋拓展情況下，主要包含以下兩種狀況：若是缺陷在界面位置大量存在，敷焊合金層與基體的結合會受到嚴重影響，導致裂紋的出現，引起層次劃分和脫落現象。若是界面存在較少的微觀缺陷，則敷焊合金層與基體的結合能力也會隨之提升，這一部分就屬于帶缺口的試件，基體中的應力會大量集中，導致基體內部貫穿裂紋，最后出現斷裂。此外，敷焊合金層內部存在較多的質硬項，微觀缺陷于合金層和基體界面存在，合金層會受到閥板及高速流涕內部壓力影響，導致其出現張應力，加之合金層內部存在參與壓力，缺陷部位會出現大量集中應力現象，導致敷焊合金層裂縫問題的發生，由于基體材料抗沖擊韌性較低，臨界裂縫具有績效的拓展阻力，所以基體界面會出現裂紋，引起閥板斷裂。

2.2 改進措施

必須對熱處理工藝進行優化，對工藝內容進行調整，對傳統的一淬一回的形式進行調整，采用一淬兩回方式干預，淬火過程中，溫度必須控制在950～1050 ℃，保溫時間以2 h 為宜，第一次回火過程中，溫度必須保持在700～750 ℃，保溫時間以2.5 h 為宜，增加回火工藝，確保回火時間溫度在650～700 ℃，保溫時間維持在2.5 h，必須提升材料屈服強度、抗拉強度和沖擊功，在滿足端面收縮率和延伸率的情況下開展。敷焊Ni60 的保持溫度必須在725 ℃左右，保溫時間必須在1.5 h 左右，盡可能降低敷焊完成后的參與應力，降低合金層析出的硬質相。

3 上法蘭開裂

3.1 形成原因

由于上法蘭尺寸較大，在鍛造以后，開始冷卻時，該零件的中心溫度遠遠高于遠端溫度，加之心部阻力影響，表層拉應力情況時有發生，因此導致心部壓應力的產生，在冷卻過程中，冷卻初期，表層拉應力比較松弛，冷卻后期，心部收縮壓應力提升，熱應力方向隨之變化，心部壓應力隨之增加。淬火冷卻完成后，金屬相對于內層的溫度下降速度較快，待外層溫度降低以后，內層并未冷卻，溫度處于較高水平，若是持續降溫，將導致上法蘭內部體積收縮，對內部形成阻礙作用，影響法蘭中心的三向拉應力，在截面中心部位產生較大的拉應力，中心部位開裂問題隨之發生。若是溫度不均勻，組織應力會受到馬氏體轉變影響，導致上法蘭鍛件在冷卻過程中產生冷卻裂縫，一旦受到外力影響，裂紋會迅速蔓延，出現開裂問題[4]。分析淬火效果的集合尺寸，上法蘭中心位置徑向的內壁及外壁中心位置會受到影響，在截面中心位置所受到的拉應力也是最大應力。經日常觀察和測量，發現上法蘭裂紋大都以此位置開始，淬火冷卻后期階段，會存在三向拉應力，導致上法蘭斷裂。

3.2 改進措施

針對混晶所產生的負面作用，可以在鍛造工藝應用過程中對相關問題進行解決，可以依靠砂冷方式進行冷卻速度的減緩，在此過程中，必須調整工藝，以一淬一回向一淬兩回進行轉變，淬火溫度必須維持在950～1050 ℃，保溫時間必須保障在6 h 以內，在第一次回火過程中，溫度必須控制在700～750 ℃，保溫時間必須維持在8 h，增加一道回火工藝過程中，必須保持回火時間在8 h。

4 結束語

石油開采工程作業質量、施工進度極大程度受石油井口裝置的影響，關鍵部件失效，將在很大程度上影響石油企業經營效益，所以這就需要分析關鍵部件失效原因，對重點部件的失效因素進行分析，并采取針對性的解決措施進行關鍵部件的改進，確保關鍵部件質量的合格性，保障油田井口裝置應用的安全及可靠，提升油田企業經濟效益。