某高压井口装置平板阀开裂的原因

张耀明, 杜志杰, 匡生平, 张春婉, 邹光贵, 史盈鸽

(1.中国石油塔里木油田分公司, 库尔勒 841000； 2.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司, 西安 710065)

平板阀是高压井口装置的重要组成部分，阀板与阀杆之间的螺母通过T型槽挂接，阀板与阀座之间采用硬密封，以保证其在恶劣工况下的密封性[1]。阀体和阀座不需要进行熔覆密封，只需借助某种热源,将具有特殊性能的合金材料熔覆在阀门密封面，就可以得到具有耐磨损、耐腐蚀、硬度高、抗刮伤、耐高温等特殊性能的阀门，使其恢复原有形状、尺寸[2]。

某油井平板阀回收后经检验发现，阀板发生开裂，该平板阀从供井使用到回收共服役60 d，其型号为KQ78/65-105 EE，额定工作压力为105 MPa，温度级别为P.U(-29～121℃)，材料等级为EE级，规范级别为PSL3 ，性能级别为PR1。该平板阀熔覆层采用等离子喷焊工艺制备，填充金属为Ni60合金。焊前清除平板阀待焊表面的油污、水锈等，在700～800 ℃预热1 h，焊后经700～800 ℃保温1～2 h，之后随炉冷却。为查出该平板阀的开裂原因，笔者进行了一系列的理化检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂平板阀长为262 mm，宽度为118.18 mm，通孔直径为78.3 mm。对平板阀表面进行渗透探伤，如图1所示，平板阀中部存在裂纹，裂纹长度为65 mm，距通孔约40 mm，且裂纹位于圆形压痕区域内，压痕是服役过程中阀板和阀座之间的挤压摩擦造成的。

图1 平板阀表面渗透探伤后的宏观形貌Fig.1 Macro mophology of flat valve surface afterpenetrant inspection

1.2 化学成分分析

在平板阀基体部位取样，采用ARL-3460型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，平板阀的化学成分满足API SPEC 6A-2010《井口装置和采油树设备规范》标准要求。

表1 平板阀基体的化学成分Tab.1 Chemical compositions of substrate of flat valve

在平板阀敷焊层部位取样，对其进行能谱分析，结果见表2。由表2可知，敷焊层主要含镍、铁、铬、硼等元素。

表2 平板阀敷焊层的能谱分析结果Tab.2 Energy spectrum analysis results of weldinglayer of flat valve %

1.3 力学性能试验

在平板阀基体处取棒状试样进行拉伸性能测试，试样标距内直径为12.5 mm，试验温度为室温，试验结果见表3。由表3可知，该平板阀基体的抗拉强度、屈服强度低于API SPEC 6A-2010标准要求的下限值，断后伸长率满足API SPEC 6A-2010标准要求。

表3 拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results

在基体上取纵向夏比冲击试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向开V型缺口，试验温度为-29 ℃，试验结果见表4。由表4可知，平板阀的冲击吸收功满足API SPEC 6A-2010标准要求。

表4 冲击试验结果Tab.4 Impact test result

维氏硬度试验采用高度为15 mm的硬度块进行，试验结果见表5。由表5可知，平板阀基体和热影响区的硬度均低于API SPEC 6A-2010标准要求。

表5 维氏硬度试验结果Tab.5 Vickers hardness test results

1.4 金相检验

1.4.1 显微组织观察

如图2a)所示，平板阀基体的显微组织为马氏体，对其进行非金属夹杂物评级和晶粒度评级，结果见表6。如图2b)所示，平板阀敷焊层显微组织中白色区域为奥氏体相，灰色区域为弥散相，黑色区域为析出的硬质相。对各相进行显微硬度测试，白色相显微硬度为493 HV0.01，黑色相显微硬度为1 783 HV0.01，灰色相显微硬度为1 122 HV0.01，该敷焊层的析出相硬度极高，这些硬质析出相为(Cr,Fe)23C6，Ni3B等[3]。如图2c)所示，热影响区组织颜色较暗。

图2 平板阀基体、敷焊层和热影响区的显微组织形貌Fig.2 Microstructure mophology of substrate a), welding layer b) and heat affected zone c) of flat valve

表6 平板阀基体中非金属夹杂物的评级及晶粒度Tab.6 Rating and grain size of non-metallic inclusions ofsubstrate of flat valve

1.4.2 敷焊层与基体界面处的缺陷检验

在平板阀敷焊层与基体结合面处取样，在金相显微镜下观察发现，结合面处存在气孔缺陷，如图3所示。

1.4.3 敷焊层裂纹检验

如图4所示，敷焊层裂纹起源于结合面气孔处，裂纹贯穿整个敷焊层。经测量，平板阀敷焊层厚度为0.8 mm。

1.5 扫描电镜分析

如图5所示，沿敷焊层裂纹进行机械打开，在扫描电镜(SEM)观察下发现，其SEM形貌具有解理特征。敷焊层与基体结合面存在分层和气孔，如图6所示。

图5 敷焊层开裂面的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of cracked surface of welding layer

2 分析及讨论

根据上述试验结果可知，平板阀敷焊层存在裂纹，平板阀敷焊层与基体界面处存在分层和气孔。敷焊层裂纹起源于基体和敷焊层界面处的气孔，裂纹贯穿整个敷焊层。敷焊层的开裂面微观形貌均呈解理特征。

平板阀敷焊层为镍基合金，基体材料为1Cr13不锈钢，两种材料的线膨胀系数和弹性模量等参数均不同。喷涂结束至冷却过程中，当敷焊层由高温冷却至常温时，敷焊层与基体的线膨胀系数不同而产生较大的失配应变[4]，导致敷焊层产生残余拉应力，这是造成敷焊层与基体开裂的主要原因。敷焊之前对基体进行预热处理，可以减小敷焊层与基体之间的热应力，进而减小敷焊层的残余拉应力。

根据金相检验结果可知，该平板阀敷焊层裂纹起源于敷焊层与基体界面的气孔。在服役过程中，高速气流通过阀门时，流场发生变化，气流不稳定，导致阀门产生振动，阀板与阀座频繁撞击，导致敷焊层与基体界面气孔、分层处产生裂纹。

平板阀敷焊层硬度较高，且局部存在硬质相，在外力作用下，敷焊层内各组织的应变协调性较差，韧性较差，裂纹在敷焊层内扩展阻力较小，这也是敷焊层脆性开裂的原因之一。

平板阀基体组织为马氏体，晶界处有较多的碳化物析出，在敷焊过程中受热使强度下降，这也是该阀板基体的抗拉强度、屈服强度、硬度均不满足标准要求的原因。

综上所述，推测该平板阀开裂的主要原因是：平板阀敷焊层与基体界面存在分层和气孔，服役过程中，阀门存在振动，与阀座频繁撞击，导致敷焊层与基体界面的气孔处产生裂纹，然后裂纹扩展直至穿透整个敷焊层。敷焊层硬度高、韧性差也是开裂平板阀的主要原因。

3 结论

平板阀基体的抗拉强度、屈服强度、硬度均不满足标准要求。平板阀敷焊层出现开裂，其开裂机理为脆性开裂，主要原因是：敷焊层硬度高、韧性差；平板阀敷焊层与基体界面处存在气孔和分层，服役过程中，阀门存在振动，与阀座频繁撞击，导致敷焊层结合面气孔部位产生裂纹，然后裂纹扩展直至穿透整个敷焊层而开裂。