石油井口装置关键部件失效机理分析

陈 军

（大庆油田装备制造集团采油装备制造分公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

石油井口装置应用的安全与可靠将直接对石油开采工程建设效率产生直接影响，若是石油井口装置安全性能无法满足采油相关要求，将加剧石油开采工作实施难度，严重情况下将诱发井喷事故的发生，石油井口装置应用过程中所涉及的元件数量较多，其中关系到开裂失效的上法兰件及断裂失效的阀板均属于重要零部件，为保障石油井口装置应用的合理性，必须分析石油井口装置关键部分受力因素及失效因素，分析关键部件失效的因素，并采取针对性措施进行解决，以此保障石油井口装置关键部件应用的效益，确保采油工作的顺利开展，就石油井口装置关键部件失效机理展开分析研究。

1 关键部件失效原因

在应用石油井口装置过程中，受到采油企业生产环境的影响，关键部件的应用寿命大都会受到酸碱水平、压力水平及温度水平等多种因素的影响，对关键部件失效原因、机械能分析，可对影响关键部件正常工作的影响因素进行分析，以此进行针对性的改进和优化，保障石油井口装置应用质量的合理性[1]。

1.1 腐蚀性损坏

腐蚀性损坏类型比较多，包括隙缝腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀和均匀腐蚀等多种类型，由于石油井口装置的工作环境特殊，极易受到腐蚀性及机械力双重作用影响，导致应力腐蚀破裂，引起液态金属脆裂、清脆、疲劳腐蚀破裂及磨损腐蚀破裂等多种损坏后果，可见，只有强化关键部件的防腐蚀工作，才可保障关键部件应用的可靠性，促进石油井口装置应用的安全性，为降低石油井口装置腐蚀概率，相关技术研究人员进行了不断探索研究，为保障关键部件不受酸碱腐蚀因素影响，大都依靠涂覆类抗腐蚀材料对关键部件进行保护，并严格采用符合石油企业施工标准的材料进行生产，优化加工工艺，依靠先进的锻造方式进行关键部件的制作，促进了关键部件应力许用值的增长。

1.2 机械力损坏

机械力损坏属于关键部件损坏的最主要因素，其主要包括疲劳损害和恒力损害两种类型。恒力损害主要包括脆性损害和延性损害两种类型，机械力的破坏会严重影响关键部件的正常工作，关键部件在石油井口装置应用中，所采用的加工工艺存在一定的差异性，所以其能承受的最大许用应力也存在一定差异性，无论是进行抗弯性能、抗剪性能还是抗拉性能检测，均需要应用对应的极限值进行分析，若是机械力破坏力度过大，将严重影响石油井口装置的质量，形成不可挽回的经济损失，严重影响石油企业工作效率，对作业效率及施工安全均产生不良影响[2]。

1.3 高温损坏

石油井口装置关键部件破坏的最主要因素为高温破坏，由于高温腐蚀和高温应力等因素影响产生的高温破坏，会受到机械力与高温的双重作用，引起磨裂和硬化脆裂现象，高温破坏也可与腐蚀破坏共同对石油井口装置产生影响，其主要包括高温硫化破坏和氧化破坏两种。高温破坏属于腐蚀、机械和温度三种因素的叠加影响，严重威胁石油企业生产安全，必须对石油井口装置的可靠性能和安全性能进行综合考量，不断提升关键构建的抗破坏能力，以缩减石油开采工程事故的发生概率。

2 阀板断裂

2.1 断裂原因

开展力学性能分析实验，发现阀板在应用过程中，其基本材料在抗拉强度、屈服强度及纵向冲击功等多种方面均无法满足标准技术施工要求，这一状况表明阀板无论在断裂韧性还是在强度上，都无法满足井口装置的相关要求。在开展热处理时，无法选择合理的控制工艺进行干预，回火温度及回火时间无法满足关键部件设置的基本标准。

在开展喷涂过程中，大都依据材料性能及工艺参数开展，由于膨胀系数、基体材料的弹性模量及敷焊合金层材料参数存在差异性，所以残余应力广泛存在，且残余应力会严重影响敷焊合金层构建的尺寸和精准程度，影响其稳定性能，对敷焊合金层的厚度和质量产生不良影响，导致敷焊合金层在应用过程中出现开裂和剥落失效形式[3]。在开展喷涂过程中，若是颗粒熔融后向基层表面喷射，则会产生冲击辅助力，拓展其层状结构，在后续应用过程中，将会导致叠层结构的形成，层状结构中会存在胃管缺陷。熔滴会快速凝固，淬火残余应力会在冷却过程中处于拉伸状态，在层状结构中显现。断口出现的原因大都是由于阀板Ni60 敷焊合金层的存在而引发，敷焊合金层及基体界面发生裂纹拓展情况下，主要包含以下两种状况：若是缺陷在界面位置大量存在，敷焊合金层与基体的结合会受到严重影响，导致裂纹的出现，引起层次划分和脱落现象。若是界面存在较少的微观缺陷，则敷焊合金层与基体的结合能力也会随之提升，这一部分就属于带缺口的试件，基体中的应力会大量集中，导致基体内部贯穿裂纹，最后出现断裂。此外，敷焊合金层内部存在较多的质硬项，微观缺陷于合金层和基体界面存在，合金层会受到阀板及高速流涕内部压力影响，导致其出现张应力，加之合金层内部存在参与压力，缺陷部位会出现大量集中应力现象，导致敷焊合金层裂缝问题的发生，由于基体材料抗冲击韧性较低，临界裂缝具有绩效的拓展阻力，所以基体界面会出现裂纹，引起阀板断裂。

2.2 改进措施

必须对热处理工艺进行优化，对工艺内容进行调整，对传统的一淬一回的形式进行调整，采用一淬两回方式干预，淬火过程中，温度必须控制在950～1050 ℃，保温时间以2 h 为宜，第一次回火过程中，温度必须保持在700～750 ℃，保温时间以2.5 h 为宜，增加回火工艺，确保回火时间温度在650～700 ℃，保温时间维持在2.5 h，必须提升材料屈服强度、抗拉强度和冲击功，在满足端面收缩率和延伸率的情况下开展。敷焊Ni60 的保持温度必须在725 ℃左右，保温时间必须在1.5 h 左右，尽可能降低敷焊完成后的参与应力，降低合金层析出的硬质相。

3 上法兰开裂

3.1 形成原因

由于上法兰尺寸较大，在锻造以后，开始冷却时，该零件的中心温度远远高于远端温度，加之心部阻力影响，表层拉应力情况时有发生，因此导致心部压应力的产生，在冷却过程中，冷却初期，表层拉应力比较松弛，冷却后期，心部收缩压应力提升，热应力方向随之变化，心部压应力随之增加。淬火冷却完成后，金属相对于内层的温度下降速度较快，待外层温度降低以后，内层并未冷却，温度处于较高水平，若是持续降温，将导致上法兰内部体积收缩，对内部形成阻碍作用，影响法兰中心的三向拉应力，在截面中心部位产生较大的拉应力，中心部位开裂问题随之发生。若是温度不均匀，组织应力会受到马氏体转变影响，导致上法兰锻件在冷却过程中产生冷却裂缝，一旦受到外力影响，裂纹会迅速蔓延，出现开裂问题[4]。分析淬火效果的集合尺寸，上法兰中心位置径向的内壁及外壁中心位置会受到影响，在截面中心位置所受到的拉应力也是最大应力。经日常观察和测量，发现上法兰裂纹大都以此位置开始，淬火冷却后期阶段，会存在三向拉应力，导致上法兰断裂。

3.2 改进措施

针对混晶所产生的负面作用，可以在锻造工艺应用过程中对相关问题进行解决，可以依靠砂冷方式进行冷却速度的减缓，在此过程中，必须调整工艺，以一淬一回向一淬两回进行转变，淬火温度必须维持在950～1050 ℃，保温时间必须保障在6 h 以内，在第一次回火过程中，温度必须控制在700～750 ℃，保温时间必须维持在8 h，增加一道回火工艺过程中，必须保持回火时间在8 h。

4 结束语

石油开采工程作业质量、施工进度极大程度受石油井口装置的影响，关键部件失效，将在很大程度上影响石油企业经营效益，所以这就需要分析关键部件失效原因，对重点部件的失效因素进行分析，并采取针对性的解决措施进行关键部件的改进，确保关键部件质量的合格性，保障油田井口装置应用的安全及可靠，提升油田企业经济效益。