摘 要:某高壓井口裝置平板閥表面發(fā)生開裂,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、金相檢 驗(yàn)以及掃描電鏡分析等方法,分析了平板閥開裂的原因。結(jié)果表明:平板閥敷焊層材料硬度高、韌 性差,敷焊層與基體界面處存在分層和氣孔,服役過程中閥門承受振動載荷,導(dǎo)致氣孔處產(chǎn)生裂紋, 以后裂紋擴(kuò)展直至穿透整個(gè)敷焊層而開裂。
關(guān)鍵詞:平板閥;敷焊層;氣孔
中圖分類號:TE931 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0023-04
平板閥是高壓井口裝置的重要組成部分,閥板與 閥桿之間的螺母通過 T型槽掛接,閥板與閥座之間 采用硬密封,以保證其在惡劣工況下的密封性[1]。閥 體和閥座不需要進(jìn)行熔覆密封,只需借助某種熱源, 將具有特殊性能的合金材料熔覆在閥門密封面,就可 以得到具有耐磨損、耐腐蝕、硬度高、抗刮傷、耐高溫 等特殊性能的閥門,使其恢復(fù)原有形狀、尺寸[2]。
某油井平板閥回收后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),閥板發(fā)生開 裂,該平板閥從供井使用到回收共服役60d,其型號 為 KQ78/65-105EE,額定工作壓力為105MPa,溫 度級別為P.U(-29~121℃),材料等級為 EE級, 規(guī)范級別為PSL3,性能級別為PR1。該平板閥熔 覆層采用等離子噴焊工藝制備,填充金屬為Ni60合 金。焊前清除平板閥待焊表面的油污、水銹等,在 700~800℃預(yù)熱1h,焊后經(jīng)700~800℃保溫1~ 2h,之后隨爐冷卻。為查出該平板閥的開裂原因, 筆者進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)與分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
開裂平板閥長為262mm,寬度為118.18mm, 通孔直徑為78.3mm。對平板閥表面進(jìn)行滲透探 傷,如圖1所示,平板閥中部存在裂紋,裂紋長度為 65mm,距通孔約40mm,且裂紋位于圓形壓痕區(qū) 域內(nèi),壓痕是服役過程中閥板和閥座之間的擠壓摩 擦造成的。
1.2 化學(xué)成分分析
在平板閥基體部位取樣,采用 ARL-3460型直 讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1 可知,平板閥的化學(xué)成分滿足 APISPEC6A-2010 《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)
在平板閥基體處取棒狀試樣進(jìn)行拉伸性能測試, 試樣標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5mm,試驗(yàn)溫度為室溫,試驗(yàn) 結(jié)果見表3。由表3可知,該平板閥基體的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度低于APISPEC6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求的下限 值,斷后伸長率滿足APISPEC6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。
在基體上取縱向夏比沖擊試樣,試樣尺寸為 10mm×10mm×55mm,沿壁厚方向開V型缺口,試 驗(yàn)溫度為-29℃,試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知,平板 閥的沖擊吸收功滿足APISPEC6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。
維氏硬度試驗(yàn)采用高度為15mm 的硬度塊進(jìn) 行,試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知,平板閥基體和熱影 響區(qū)的硬度均低于APISPEC6A-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4 金相檢驗(yàn)
1.4.1 顯微組織觀察
如圖2a)所示,平板閥基體的顯微組織為馬氏 體,對其進(jìn)行非金屬夾雜物評級和晶粒度評級,結(jié)果 見表6。如圖2b)所示,平板閥敷焊層顯微組織中白 色區(qū)域?yàn)閵W氏體相,灰色區(qū)域?yàn)閺浬⑾?黑色區(qū)域?yàn)?析出的硬質(zhì)相。對各相進(jìn)行顯微硬度測試,白色相 顯微 硬 度 為 493 HV0.01,黑 色 相 顯 微 硬 度 為1783HV0.01,灰色相顯微硬度為1122HV0.01, 該敷焊層的析出相硬度極高,這些硬質(zhì)析出相為 (Cr,Fe)23C6,Ni3B等[3]。如圖2c)所示,熱影響區(qū) 組織顏色較暗。
1.4.2 敷焊層與基體界面處的缺陷檢驗(yàn)
在平板閥敷焊層與基體結(jié)合面處取樣,在金相 顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),結(jié)合面處存在氣孔缺陷,如圖3 所示。
1.4.3 敷焊層裂紋檢驗(yàn)
如圖4所示,敷焊層裂紋起源于結(jié)合面氣孔處, 裂紋貫穿整個(gè)敷焊層。經(jīng)測量,平板閥敷焊層厚度 為0.8mm。
1.5 掃描電鏡分析
如圖5所示,沿敷焊層裂紋進(jìn)行機(jī)械打開,在掃 描電鏡(SEM)觀察下發(fā)現(xiàn),其SEM 形貌具有解理 特征。敷焊層與基體結(jié)合面存在分層和氣孔,如圖 6所示。
2 分析及討論
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知,平板閥敷焊層存在裂 紋,平板閥敷焊層與基體界面處存在分層和氣孔。 敷焊層裂紋起源于基體和敷焊層界面處的氣孔,裂 紋貫穿整個(gè)敷焊層。敷焊層的開裂面微觀形貌均呈 解理特征。
平板閥敷焊層為鎳基合金,基體材料為1Cr13 不銹鋼,兩種材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù) 均不同。噴涂結(jié)束至冷卻過程中,當(dāng)敷焊層由高溫 冷卻至常溫時(shí),敷焊層與基體的線膨脹系數(shù)不同而 產(chǎn)生較大的失配應(yīng)變[4],導(dǎo)致敷焊層產(chǎn)生殘余拉應(yīng) 力,這是造成敷焊層與基體開裂的主要原因。敷焊 之前對基體進(jìn)行預(yù)熱處理,可以減小敷焊層與基體 之間的熱應(yīng)力,進(jìn)而減小敷焊層的殘余拉應(yīng)力。
根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,該平板閥敷焊層裂紋 起源于敷焊層與基體界面的氣孔。在服役過程中, 高速氣流通過閥門時(shí),流場發(fā)生變化,氣流不穩(wěn)定, 導(dǎo)致閥門產(chǎn)生振動,閥板與閥座頻繁撞擊,導(dǎo)致敷焊 層與基體界面氣孔、分層處產(chǎn)生裂紋。
平板閥敷焊層硬度較高,且局部存在硬質(zhì)相,在 外力作用下,敷焊層內(nèi)各組織的應(yīng)變協(xié)調(diào)性較差,韌 性較差,裂紋在敷焊層內(nèi)擴(kuò)展阻力較小,這也是敷焊焊接,在外力卸載后管體存在極大的張應(yīng)力,甚至超 過焊縫強(qiáng)度,導(dǎo)致管道焊縫附近區(qū)域發(fā)生開裂。
鋼板預(yù)彎長度不夠、預(yù)彎弧度與管體不一致和 直縫焊之前管體縫隙寬度過大,均會使預(yù)彎區(qū)域存 在較大的應(yīng)力集中,使管體在外力作用下萌生裂紋, 微裂紋的存在進(jìn)一步促進(jìn)氫的擴(kuò)散滲透,從而形成 應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂。
BMS1400鋼疏浚管表面劃傷也是開裂的一個(gè)重 要誘因。通常,表面微小的劃傷容易在腐蝕環(huán)境中誘 發(fā)管 道 開 裂,導(dǎo) 致 材 料 迅 速 失 效[11]。本 試 驗(yàn) 中 BMS1400鋼疏浚管表面的劃痕深度超過0.3mm,且 劃痕內(nèi)部可見數(shù)量眾多的微裂紋。在腐蝕環(huán)境中,管 道表面劃傷區(qū)域容易形成局部應(yīng)力集中,誘發(fā)裂紋的 形成,促進(jìn)氫的滲透擴(kuò)散,從而加速材料失效。
3 結(jié)論
(1)BMS1400鋼疏浚管的化學(xué)成分、硬度和低 溫沖擊韌性均滿足技術(shù)要求,裂紋區(qū)域未見夾渣或 夾雜物。
(2)管道開裂屬于外力導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂, 開裂原因包括應(yīng)力、海水腐蝕和氫元素。管道浸泡 在海水中,存在氫的滲透擴(kuò)散,管道表面劃痕內(nèi)部的 微裂紋進(jìn)一步誘發(fā)氫致開裂,導(dǎo)致管道在應(yīng)力集中 位置處發(fā)生開裂。
(3)管道開裂位置主要出現(xiàn)在鋼板卷取前的預(yù) 彎區(qū)域,表明開裂與卷板工藝不規(guī)范有關(guān)。制管加 工過程中,鋼板預(yù)彎長度不足、預(yù)彎弧度不當(dāng)及過彎量不足均會導(dǎo)致管道在該區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中,使管 道在外力作用下發(fā)生開裂。
參考文獻(xiàn):
[1] 曾其良,崔潤炯.各種輸送管道用耐磨鋼管[J].鋼管, 1994,23(6):56-57.
[2] 宋鳳明,杜林秀.漿體輸送用磨蝕鋼的研究進(jìn)展[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào),2014,26(2):1-6.
[3] 嚴(yán)峰.挖泥船疏浚輸泥管的材料選擇[J].船海工程, 2014,43(2):91-93,96.
[4] 宋鳳明,杜林秀,孫國勝,等.疏浚用耐磨蝕鋼耐磨蝕 性能的研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2018,30(1): 74-78.
[5] 莊東漢.材料失效分析[M].上海:華東理工大學(xué)出版 社,2009:297-310.
[6] 孫智.失效分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2017.
[7] 黃亮,劉智勇,杜翠薇,等.Q235B鋼含硫污水罐的腐 蝕開裂失效分析[J].表面技術(shù),2015,44(3):52-56.
[8] XUE H B,CHENG Y F.Characterization of inclusionsofX80pipelinesteelanditscorrelation with hydrogen-induced cracking [J].Corrosion Science,2011,53(4):1201-1208.
[9] 胡亮,陳健,汪兵,等.電化學(xué)充氫條件下夾雜物對管 線鋼氫致開裂敏感性的影響[J].機(jī)械工程材料, 2015,39(9):25-31.
[10] 楊旭軍.大型3輥卷板機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)[J].上海電氣技 術(shù),2014,7(1):32-36.
[11] 趙煥卿.抽油桿斷裂失效分析[J].石油礦場機(jī)械, 2007,36(7):60-61.