摘 要:某高壓井口裝置平板閥表面發生開裂,通過宏觀觀察、化學成分分析、拉伸試驗、金相檢 驗以及掃描電鏡分析等方法,分析了平板閥開裂的原因。結果表明: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,導致氣孔處產生裂紋, 以后裂紋擴展直至穿透整個敷焊層而開裂。
關鍵詞:平板閥;敷焊層;氣孔
中圖分類號:TE931 文獻標志碼: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,使其恢復原有形狀、尺寸[2]。
某油井平板閥回收后經檢驗發現,閥板發生開 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℃預熱1h,焊后經700~800℃保溫1~ 2h,之后隨爐冷卻。為查出該平板閥的開裂原因, 筆者進行了一系列的理化檢驗與分析。
1 理化檢驗
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 域內,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 讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表1。由表1 可知,平板閥的化學成分滿足 APISPEC6A-2010 《井口裝置和采油樹設備規范》標準要求。
1.3 力學性能試驗
在平板閥基體處取棒狀試樣進行拉伸性能測試, 試樣標距內直徑為12.5mm,試驗溫度為室溫,試驗 結果見表3。由表3可知,該平板閥基體的抗拉強度、 屈服強度低于APISPEC6A-2010標準要求的下限 值,斷后伸長率滿足APISPEC6A-2010標準要求。
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 驗溫度為-29℃,試驗結果見表4。由表4可知,平板 閥的沖擊吸收功滿足APISPEC6A-2010標準要求。
維氏硬度試驗采用高度為15mm 的硬度塊進 行,試驗結果見表5。由表5可知,平板閥基體和熱影 響區的硬度均低于APISPEC6A-2010標準要求。
1.4 金相檢驗
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,對其進行非金屬夾雜物評級和晶粒度評級,結果 見表6。如圖2b)所示,平板閥敷焊層顯微組織中白 色區域為奧氏體相,灰色區域為彌散相,黑色區域為 析出的硬質相。對各相進行顯微硬度測試,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,這些硬質析出相為 (Cr,Fe)23C6,Ni3B等[3]。如圖2c)所示,熱影響區 組織顏色較暗。
1.4.2 敷焊層與基體界面處的缺陷檢驗
在平板閥敷焊層與基體結合面處取樣,在金相 顯微鏡下觀察發現,結合面處存在氣孔缺陷,如圖3 所示。
1.4.3 敷焊層裂紋檢驗
如圖4所示,敷焊層裂紋起源于結合面氣孔處, 裂紋貫穿整個敷焊層。經測量,平板閥敷焊層厚度 為0.8mm。
1.5 掃描電鏡分析
如圖5所示,沿敷焊層裂紋進行機械打開,在掃 描電鏡(SEM)觀察下發現,其SEM 形貌具有解理 特征。敷焊層與基體結合面存在分層和氣孔,如圖 6所示。
2 分析及討論
根據上述試驗結果可知,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和彈性模量等參數 均不同。噴涂結束至冷卻過程中,當敷焊層由高溫 冷卻至常溫時,敷焊層與基體的線膨脹系數不同而 產生較大的失配應變[4],導致敷焊層產生殘余拉應 力,這是造成敷焊層與基體開裂的主要原因。敷焊 之前對基體進行預熱處理,可以減小敷焊層與基體 之間的熱應力,進而減小敷焊層的殘余拉應力。
根據金相檢驗結果可知,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,流場發生變化,氣流不穩定, 導致閥門產生振動,閥板與閥座頻繁撞擊,導致敷焊 層與基體界面氣孔、分層處產生裂紋。
平板閥敷焊層硬度較高,且局部存在硬質相,在 外力作用下,敷焊層內各組織的應變協調性較差,韌 性較差,裂紋在敷焊層內擴展阻力較小,這也是敷焊焊接,在外力卸載后管體存在極大的張應力,甚至超 過焊縫強度,導致管道焊縫附近區域發生開裂。
鋼板預彎長度不夠、預彎弧度與管體不一致和 直縫焊之前管體縫隙寬度過大,均會使預彎區域存 在較大的應力集中,使管體在外力作用下萌生裂紋, 微裂紋的存在進一步促進氫的擴散滲透,從而形成 應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重 要誘因。通常,表面微小的劃傷容易在腐蝕環境中誘 發管 道 開 裂,導 致 材 料 迅 速 失 效[11]。本 試 驗 中 BMS1400鋼疏浚管表面的劃痕深度超過0.3mm,且 劃痕內部可見數量眾多的微裂紋。在腐蝕環境中,管 道表面劃傷區域容易形成局部應力集中,誘發裂紋的 形成,促進氫的滲透擴散,從而加速材料失效。
3 結論
(1)BMS1400鋼疏浚管的化學成分、硬度和低 溫沖擊韌性均滿足技術要求,裂紋區域未見夾渣或 夾雜物。
(2)管道開裂屬于外力導致的應力腐蝕開裂, 開裂原因包括應力、海水腐蝕和氫元素。管道浸泡 在海水中,存在氫的滲透擴散,管道表面劃痕內部的 微裂紋進一步誘發氫致開裂,導致管道在應力集中 位置處發生開裂。
(3)管道開裂位置主要出現在鋼板卷取前的預 彎區域,表明開裂與卷板工藝不規范有關。制管加 工過程中,鋼板預彎長度不足、預彎弧度不當及過彎量不足均會導致管道在該區域產生應力集中,使管 道在外力作用下發生開裂。
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