贾帅

[摘 要]采油井口装置是油田生产中的重要设备之一，通过理论分析和损伤零件的破坏分析，确定其失效机制，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，为提高石油井口装置关键件的服役寿命提供了理论与实践依据。对制造工艺不妥之处提出了相应的解决方案。

[关键词]采油井口 闸板 法兰

中图分类号：F521 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0096-01

石油井口装置由套管头、油管头和采油树三部分组成。石油井口装置根据设计工艺的需要起着不同作用，可以在钻采时作为压裂酸化井口使用，可以作测试井口使用，也可以在钻采后作为完井使用。不同目的使用时，阀门的规格和配置是不一样的，井口装置的可靠性关键在于阀门，要求阀门密封可靠，操作力矩轻。结合现场实际，本文针对具有代表性的三种关键部位失效进行分析：闸板断裂、闸板喷涂层脱离和点蚀、上法兰开裂，以此来探讨提升井口装置稳定性的途径和方法。

一、闸板断裂原因分析及改进

1、闸板工艺分析

阀板是阀类机构中广泛使用的零件，上开有圆形导流孔，孔径与阀座及管道的通径一致。阀板主要开闭通道，在井控设备中起到至关重要的作用。阀板在阀体中处于浮动状态，在阀门关闭时在介质的外力作用下压向阀座，以保证密封面的密封性。阀板的质量要求很高，既要耐磨损又要耐腐蚀，有些条件下还要求具有较好的耐热性能。

在某井位使用一段时间后时发现密封不住，拆开后发现阀板已经断裂。经现场调研，该井位不含H2S和CO2等腐蚀性介质，可以排除因为腐蚀导致其断裂失效。井口使用期间作业区温度、井筒压力都在设计参数之内。阀板的加工制造流程为：锻造（始锻温度1200℃，终锻温度900℃）、粗加工、热处理、半精加工。随后敷焊Ni60合金粉，再精加工，最后经精磨、研磨抛光后对产品成型。对阀板清洗后，观察发现阀板断口有冲蚀现象，导流孔四周存在较多径向裂纹，且起源于导流孔内壁；另一阀板断口未发现冲蚀现象，导孔四周也存在较多径向裂纹，这些裂纹都起源于导流孔外壁，且有剥落现象。这些裂纹的存在破坏了材料的连续性

2、断裂原因分析

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。

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。

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。敷焊后保温不当导致合金层组织存在较多析出硬质相。

3、阀板断裂的改进建议

改进阀板基体材料12Cr13的热处理工艺，调整调质工艺，由原来的一淬一回改为一淬两回，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。

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。

二、上法兰开裂分析

1、上法兰工艺分析

上法兰是完井后的永久性装置，在油管头和采油树之间，需与油管悬挂器形成密封，是介质的流经通道和井口装置的关键件。本文研究的上法兰其工艺流程见图1。在出厂室温试压过程中突然开裂失效，沿径向裂为几瓣。试压采用清水，不含腐蚀性介质，可以排除因为腐蚀导致其断裂失效。试验时温度和试验压力都在设计参数之内。

该上法兰制造的主要工艺流程为（图1）。

2、裂纹形成原因

上法兰尺寸较大，此类零件在锻造后冷却初期，法兰表层温度低于心部，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。该冷却裂纹外力促使下，加快延展，最终呈现出开裂成四瓣。

对分析的上法兰而言，从淬火效果的几何尺寸看，其中心位置位于径向的内壁和外壁的中心，以及厚度方向的中心处，即截面的中心处，该处淬火三向拉应力最大。实际测量和观察发现，上法兰的裂纹源刚好位于此处，即淬火冷却的后期的三向拉应力导致了上法兰发生瞬断。试压诱发促发了前述的残余应力。

3、上法兰开裂的改进建议

建议通过更充分的锻造工艺可以减輕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。同时调整调质工艺，由原来的一淬一回改为一淬两回，淬火温度950℃～1050℃，保温时间6小时和第一次回火温度700℃～750℃，第一次保温时间8小时保持不变，增加一道回火工艺，回火时间650℃～700℃，保温时间8小时。

通过对阀板和上法兰这两种典型石油井口装置零件的断口形貌失效分析，明确导致零件发生开裂失效主要原因是调质工艺不科学，为产品的持续改进提供了理论依据。

参考文献

[1] 喻健良，闫兴清，罗从仁.高温下法兰系统温度分布及螺栓载荷变化[J].压力容器，2013，（11）：1-7.

[2] 王金燕，杨光，齐学辉.闸阀阀板脱落原因分析及解决措施[J].炼油与化工，2012，（05）：36-38+59.