采气井口装置主要零部件的失效分析

董尧

摘要：本文首先阐述了浅析高压采气井口装置的功用，接着分析了井口装置受损情况，最后对高压采气井口装置的设计进行了探讨。希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。

关键词：井口装置;阀门;阀板;上法兰

引言：

国内企业生产井口装置已有二十多年的历史，许多生产厂家对井口装置的生产也积累了丰富的经验。但井口装置泄漏的事件还事有发生，使得生产现场隐藏安全环保隐患，所以对井口装置主要零件失效原因的分析显得尤为重要。

1浅析高压采气井口装置的功用

从油田开发项目的实践中可以清楚的看到，高压采气井口装置的功用十分强大，它不仅可以应对高压气流的突然侵袭，而且，该装置作为控制井口压力和调节油气产量，并把油气诱导到输油气管去，必要时还可以作应急装置来关门井口，其对于整个油气资源开发项目的正常运作是非常重要的也具备一定的保障作用，如可以利用钻油管和井眼间的空间来进行采气减压，可以在一定程度上阻止高压风险事故的发生。从现实的角度来看，研究高压采气井口装置的功能以及在整个资源开发项目中的能效，有利于更好的研究该装置的优化策略，从而扬长避短，将装置的效能更好的发挥出来。

1阀门失效分析

常见的阀门损坏失效模式多为腐蚀、磨损以及密封件损坏老化。腐蚀主要包含上文分析的电化学腐蚀和硫化物应力腐蚀;磨损的主要形式有腐蚀磨损、磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损。

失效的形式表现为多方面，其造成腐蚀失效的主要原因是：第一，介质对过流表面的不均匀坑蚀;第二，介质中的颗粒物以及腐蚀产物使闸板卡死;第三，电化学腐蚀，并且分布面积比较大以及冲蚀产生蚀槽;第四，阀杆于各零件连接处发生硫化物应力腐蚀，使阀杆长期使用后断裂。

1.1降低阀门失效的措施

1）与介质接触表面，提高机加工表面粗糙度，减少腐蚀介质的残留。

2）闸板表面喷焊Ni60或喷涂WC-10Co-4Cr硬质合金，加强表面耐磨性。

3）闸板材料选用马氏体不锈钢，在保证强度的情况下，加强耐腐蚀性。

4）阀杆材料宜选用318不锈钢或性能更好的耐蚀合金，能抗硫化氢均匀腐蚀，抗硫化物应力开裂。

2、阀板断裂分析

2.1断裂原因分析

（1）经力学性能试验，发现该阀板基体材料的抗拉强度、屈服强度和纵向冲击功均不符合标准技术要求。说明该阀板基体的强度和断裂韧性均较低，在热处理时工艺控制不当，回火温度和回火时间不能满足技术要求。

（2）在喷涂过程中，喷涂材料的性能、喷涂工艺参数以及敷焊合金层材料与基体材料的线膨胀系数和弹性模量等参数的不同，会造成残余应力的大量存在。残余应力对敷焊合金层的厚度、质量以及敷焊合金层构件精度、尺寸稳定性等方面有很大影响，是导致敷焊合金层开裂、剥落等失效形式的主要原因之一。

喷涂过程中，熔融的颗粒喷向基体表面时，在冲击力的作用下，迅速扩展为层状结构，后续的喷涂材料不断叠加形成叠层结构，在层状结构的界面处，存在大量的微观缺陷。熔滴的快速凝固，导致冷却过程中在层状结构内部形成较大拉伸状态的淬火残余应力。

（3）所有断口都起源于阀板的Ni60敷焊合金层，裂纹扩展至敷焊合金层与基体的界面时，分两种情况来考虑：若界面存在大量的微观缺陷，敷焊合金层与基体的结合力较弱，会形成界面裂纹，导致敷焊合金层与界面分层，甚至剥落;若界面微观缺陷较少，敷焊合金层与基体的结合力较强，该部位可以看做带缺口的试件，基体在该部位会产生应力集中，导致敷焊合金层裂纹贯穿界面进入基体内部直至断裂。

（4）在敷焊合金层内存在较多析出硬质相，合金层与基体界面处又存在微观缺陷（气孔、缩孔）。高速流体对阀板导流孔的内压引起合金层存在张应力，与合金层内残余应力叠加，在硬质相和微观缺陷部位产生应力集中，导致敷焊合金层产生了裂纹。基体材料的冲击韧性较低，其临界裂纹扩展阻力较小，裂纹扩展至合金层与基体界面易于贯穿到基体内，引起阀板断裂。

（5）敷焊后保温不当导致合金层组织存在较多析出硬质相。

2.2降低阀板断裂的措施

1）采用12Cr13材质的阀板热处理工艺为一淬两回，淬火温度950℃～1050℃，保温时间2小时和第一次回火温度700℃～750℃，第一次保温时间2.5小时保持不变，增加一道回火工艺，回火时间650℃～700℃，保温时间2.5小时。在满足延伸率和端面收缩率的情况下提高材料的抗拉强度、屈服强度和冲击功。

2）调整阀板敷焊Ni60的保温温度为700℃～750℃，保温时间1.5小时，降低敷焊后的残余应力，减少合金层组织析出的硬质相。

3、阀板喷涂层脱落及点蚀分析

3.1脱层原因及点蚀原因分析

采用喷涂WC-10Co-4Cr的阀板，涂层属于物理结合，结合强度约71MPa，涂层晶间存在孔隙或极少数未熔颗粒，在高温、高压的腐蚀气体和液体环境下，腐蚀介质会沿孔隙扩散到基体与涂层的界面发生腐蚀，影响粘接强度，而涂层的腐蚀速率与粘结强度有直接的关系，腐蚀速率随着结合强度的升高而降低，腐蚀的起点从局部腐蚀开始，点蚀形成坑蚀，涂层表面会起泡，甚至沿基体逐渐脱落。涂层的孔隙率大产生的渗透性缺陷是影响涂层服役条件和使用寿命的重要因素[。

3.2降低阀板喷涂层脱落的措施

由于涂层属于物理结合，疏松碳化钨颗粒在撞击WC粒子容易分散，分布更均匀，这样有利于降低涂层的孔隙率，减少腐蚀介质从涂层扩散到基体材料中，因此建议采用疏松的碳化钨颗粒。

4、上法兰开裂失效分析

4.1开裂失效原因分析

上法兰尺寸较大，此类零件在锻造后冷却初期，法兰表層温度低于心部，表层收缩大，收到心部的阻碍，于是表层产生拉应力而心部产生与其平衡的压应力。随着冷却的继续进行将发生这种变化：在冷却初期表层的拉应力得到较大的松弛，到了冷却后期心部收缩对表层产生附加压应力，使热应力方向发生改变，为表层压应力而心部拉应力。

在淬火冷却的后期上法兰外层金属已先于内部冷至低温，而这时上法兰内部的温度仍然很高，继续降温时内部必然产生体积收缩，从而受到外部的强烈阻碍，而在上法兰中心部位产生三向拉应力，其最大拉应力作用在截面的中心处，因而开裂最容易在中心处形成;以及因温度不同时发生马氏体转变所形成的组织应力，容易使该上法兰锻件产生冷却裂纹。

4.2降低上法兰开裂的措施

建议通过更充分的锻造工艺可以减轻混晶带来的不利影响，采取砂冷的措施降低锻造冷却过程的冷却速度。

结束语：

本论文以失效的阀门、断裂失效与涂层剥落的阀板和开裂失效的上法兰件为研究对象，通过理论分析和损伤零件的破坏分析，确定其失效机制，据此，可以合理地解决石油井口装置在制造与使用过程中所出现的损坏现象。

参考文献：

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