采气井口装置主要零部件的失效分析

采气井口装置主要零部件的失效分析陈浩（西南石油学院机械工程系，四川南充637001）摘要对采气井口装置主要零部件的失效形式及失效模式进行了深入的分析，发现失效形式有：电化学腐蚀分布面积较大；冲蚀产生蚀槽；分布不均匀的坑蚀；腐蚀产物使闸板卡死；阀杆与闸板或阀针联接处硫化物应力腐蚀，使阀杆断裂；磨损或腐蚀造成表面损伤，材料流失，影响密封性；密封盘根老化、鼓泡，永久变形；失效模式为：腐蚀、磨损及密封件老化；易损件有：针阀的阀针与阀座；闸阀的阀板与阀座；针阀、闸阀的阀杆、密封盘根及轴承，并提出了改善采气井口装置系统可靠性的措施。主题词采气井口装置；零部件；损坏；分析；可靠性中图分类号TE831.1FailureAnalysisfortheMainComponentPartsofWellheadEquipment,JSWPI,1998,20(1):64～67ChenHao(Dept.ofMechanicalEngineering,SWPI,Sichuan,637001)Thispaperhasmadeathoroughanalysisforfailuremodesandfailurecausesofthemaincomponentpartsofwellhead,andhasfoundoutthemainfailuremodes(largerdistributionareacausedbycorrosionofelectrochemistry,corrosiongrooveproducedbyerosion;unevendistributioncorrosionpit;gatesegmentsjammedbycorrosionproduct;valverodcrackcausedbysulphidestressattackbetweenvalverodandgatesegmentorvalveneedle;sealingpropertyaffectedbysurfacedamageorlossofmaterialcausedbywearorcorrosion;ageingorbubblingofpermanentlydeformingofsealelements)andfailurecauses(corrosionandwearandageingofsealelements)andthedamageableunits(valveneedleandvalveseatofneedlevalve;gatesegmentandvalveseatofgatevalve;valverodandsealelementsandbearingofneedlevalveandgatevalve)Ameasureofimprovingthewellheadreliabilitywasachieved.Keywords:Gasproducingwellhead;Componentparts;Failure;Analysis;Reliability前言失效分析是提高产品质量的重要手段，是质量管理的重要环节。对采气井口装置的失效形式和模式进行分析研究，系统地研究机件的失效类型、鉴别失效类型的技术，预测及监控失效的方法，改进与预防失效的措施等；对产品一切可能的失效形式，其发生的条件、控制与预防等有深刻的理解，将为开发和改进设备设计，制造工艺，管理规范制定，技术推广等提供数据资料；为充分发挥现有设备服役能力，故障诊断的分析、维修、更换等提供理论依据，为开展高压采气井口装置的可靠性水平预测研究奠定了分析基础。根据国内外资料及现场调研，采气井口装置的易损件有：针阀的阀针与阀座；闸阀的阀板与阀座；针阀、闸阀的阀杆、密封盘根及轴承。常见的失效模式为腐蚀、磨损及密封件老化。腐蚀包括：电化学腐蚀和硫化物应力腐蚀。磨损包括：磨粒磨损、冲蚀磨损、粘着磨损、腐蚀磨损。主要失效形式：(1)电化学腐蚀分布面积较大，冲蚀产生蚀槽；（2）分布不均匀的坑蚀；（3）腐蚀产物使闸板卡死；（4）阀杆与闸板或阀针联接处硫化物应力腐蚀，使阀杆断裂；（5）磨损或腐蚀造成表面损伤，材料流失，影响密封性；（6）密封盘根老化、鼓泡，永久变形。1主要零部件失效机理分析失效分析的最终目的是找出防止失效事故重复发生，提高零部件寿命的措施，而防止失效的措施应根据失效的原因，并往往首先从选材、设计、制造和处理工艺、环境介质条件等方面去找。所以我们只了解到零部件的一些失效现象还不够，应透过这些现象看本质，从而找出解决的办法。引起前面的一些失效现象的机理分析如下。1.1磨损失效磨损是摩擦副的接触表面发生相对运动，在接触应力作用下，表面发生损伤导致材料流失的过程。1.1.1粘着磨损闸板与阀座、盘根与阀杆的相对运动，实际上是摩擦副两个表面间的微凸起的相对运动。两个配合表面，只有真实接触面积上发生接触，局部应力很高，产生严重的塑性变形并牢固的粘附或焊合，在相对运动时产生切应力，粘合部位中强度较差材料被撕裂，零件表面形成粗糙凹坑。1.1.2磨粒磨损与冲蚀磨损闸板与阀座，盘根与阀杆，由于气流中含有的杂质进入摩擦表面，硬磨粒被压入金属或盘根表面使材料发生多次塑性变形。闸板与阀座，阀针与阀座之间，由于天然气中含有杂质、脏物，特别是完井后留下的泥浆随高压高速气流冲向闸板、阀针、阀座，使这些零件工作面产生了宏观上顺着气流方向的蚀槽，深沟，明显的金属流失。如图1、图2、图3所示。图1阀针磨损状况图2闸板磨损状况图3阀针与阀座磨损状况1.1.3腐蚀磨损闸板与阀座之间，由于处在具有腐蚀性介质硫化氢、二氧化碳等介质中，这些腐蚀性介质对闸板与阀座产生腐蚀，在接触表面上形成一层化合物（腐蚀产物），当开关闸阀时，腐蚀产物被磨掉，露出新鲜表面又很快腐蚀掉。磨损加速腐蚀，腐蚀促进磨损。闸板与阀座之间，阀针与阀座之间，盘根与阀杆之间的磨损应该说是几种磨损同时都有，只是在不同工况下某一种或几种磨损占主要作用，其它形式磨损不突出罢了。对于闸板与阀座，应该说是冲蚀磨损失效，如试油过程中，以及井底不干净时，刚投产的一段时间，常出现冲蚀磨损。对于轴承则主要是腐蚀磨损与磨粒磨损。1.2腐蚀机理在采气井口装置上发生的腐蚀，主要是电化学腐蚀与硫化物应力腐蚀。1.2.1电化学腐蚀在化学反应过程中有电流产生的腐蚀叫做电化学腐蚀。对于采气井口装置，主要是大气腐蚀、硫化氢、二氧化碳形成的电解质溶液中的腐蚀。大气腐蚀：当涂于设备的防护涂层时间久后，就会脱落，此时金属直接暴露在大气中。空气中的水汽就可能在金属表面凝结成水，在金属表面上微细的缝隙（如加工产生），氧化物（金属与大气中的氧反应，其反应式为4Fe＋3O2→2Fe2O33Fe＋2O2→Fe3O4图4大气腐蚀后的采气开口装置腐蚀产物或灰尘处，由于毛细管的凝聚作用，可能优先在这些地方结露。大气中的CO2以及从井口装置中泄露出来的二氧化碳、硫化氢等，溶解到金属表面的水膜中去，而形成电解质液，因此就发生化学腐蚀。由于水膜很薄，阻力很小，空气中可以不断供给氧，所以阴极过程主要是氧的去极化作用O2＋2H2O＋4e4OH-阳极反应Fe－2eFe++大气相对湿度对腐蚀速度有很大的影响。当湿度一定时，在一定的相对湿度以下，金属就会不发生大气腐蚀或腐蚀很轻微。当超过某一湿度时，腐蚀速度却大大提高，临界湿度一般在50%～70％。图4就是大气腐蚀后的采气开口装置外形情况。硫化氢的腐蚀：硫化氢是弱酸，当遇到水时，在水溶液中按下式分步离解H2SH+＋HS-2H+＋S=在硫化氢溶液中，含有H+、HS-、S=和H2S分子，它们对金属的腐蚀是氢去极化反应过程，反应式如下阳极反应Fe－2e→Fe++阴极反应2H+＋2e→H＋HH2Fe与溶液中H2S反应xFe++＋yH2→SFexSy＋2yHFexSy为各种结构硫化铁的通式，随着溶液中H2S含量及pH的变化、硫化铁组成及结构不相同，其对腐蚀过程的影响也不相同。根据电子显微镜研究说明，硫化氢能生成致密的硫化铁膜（主要是硫化铁，二硫化铁组成），这种膜能阻止铁离子通过，因而保护作用较好，可显著降低金属的腐蚀速度，甚至使金属接近钝化状态。在硫化氢溶液较高情况下，有时生成的硫化铁膜呈黑色疏松分层状或粉末状（如1970年鉴定结果表明，大四通阀体内表面在10个月内腐蚀变黑），它主要由Fe9S8组成，Fe9S8膜不能阻止铁离子通过，因而没有保护作用。同时，经验证明生成这种疏松的硫化铁与钢铁接触，形成宏观电池。此时，硫化铁是阴极，钢材是阳极，因而加速了金属腐蚀。这就说明了覆盖疏松硫化铁膜的气田设备的腐蚀速度比未覆盖FeS、FeS2膜的钢材表面可能还大若干倍。金属与电解质溶液接触时，由于金属表面的不均匀性，如金属种类、金相组织、结晶方向、内应力、表面光洁度、表面处理状况、腐蚀介质或者由于与金属不同部位接触的电解液的种类、浓度、温度、流速等的差别，造成不同区域的电位不相等，从而在金属表面出现阳极和阴极区，阳极与阴极区通过金属本身互相闭合，而形成许多腐蚀电池和宏观电池。闸阀、针阀的电化学腐蚀正是如此。二氧化碳腐蚀：二氧化碳的腐蚀形态，主要是危险的局部腐蚀。局部腐蚀的沟槽、坑点、轮癣、台面状陡而且深。腐蚀差别比较大，在CO2腐蚀系统中，条件基本相同，有的腐蚀严重，有的腐蚀较小。据文献［3］报道，温度的影响，在107.2℃以下，腐蚀速率随温度提高而加快，温度高于107.2℃后，腐蚀速率反而下降。出现这种情况，主要决定于CO2与金属的化学反应随温度而改变反应历程。107.2℃以下的反应历程：CO2＋H2O→H2CO3(1)H2CO3＋Fe→FeCO3＋H2(2)这段温度范围内，(2)式反应速度随温度升高加快，生成FeCO3，但FeCO3腐蚀产物在金属表面呈疏松的膜，不能有效地抑制H2CO3进一步反应。107.2℃以上的反应历程：3FeCO3＋H2CO3→Fe3O4＋4CO2＋H2（3）式(3)结果表明，温度超过107.2℃后，FeCO3进一步与H2CO3反应生成Fe3O4，经x衍射分析，Fe3O4在金属表面形成致密而牢固的膜，抑制H2CO3进一步腐蚀，室内试验表明，这层Fe3O4膜在常温下不溶于任何强酸。1.2.2硫化物应力腐蚀金属材料在特定腐蚀介质中，承受拉应力，经过一定时间会发生断裂的现象称为应力腐蚀断裂。它是局部腐蚀和应力共同作用下的复杂的物理化学过程。通常发生应力腐蚀时，金属会在腐蚀并不严重的情况下，经过一段时间发生低应力脆断，因此事故的发生往往是突然的，特别危险。发生应力腐蚀必须具备三个条件，即：应力、介质、材料，三个条件缺一不可。应力腐蚀断裂的特征可以归纳如下。特定的腐蚀介质：只有在一定的材料—介质的组合条件下发生应力腐蚀断裂。碳钢和普通低合金钢及铁素体不锈钢，在介质H2S水溶液中会发生硫化物应力腐蚀。拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件：通常应力越大，发生开裂的时间越短，小于某一应力值就不发生开裂，或很长时间才发生开裂。产生应力腐蚀的拉应力可以是外载造成，也可以是材料及构件因加工过程而形成的内应力（残余应力）。材料成分、组织状态对应力腐蚀敏感性影响也很大。应力腐蚀断裂是一种延迟破坏现象，断裂的时间，随介质和应力的大小，可以从几分钟到数年不等。应力腐蚀裂纹的扩展速度远大于没有应力时的腐蚀速度，但比纯机械快速脆裂又慢得多，通常为0.001cm／ho～1cm／ho之间。碳钢、不锈钢、铝合金，一般在0.001cm／ho～0.1cm／ho，而钛合金、高强度钢等则在0.001cm／ho～1cm／ho，应力腐蚀断口一般为脆断特征。裂纹可以穿晶发展，也可沿晶发展。采气井口装置的材质、工作介质、应力状况以及腐蚀失效后的产物形貌，都具有上述特征。采气井口装置的材料一般采用大四通，阀本体35CrMo，阀杆318或2Cr13的高强度合金钢。这些材料处在特定介质H2S水溶液中，应力状况是：采气井口装置类似于高压容器，以双向拉应力为主，局部地区可能处于三向拉应力状态，特别是318材料制造的阀杆与阀板或阀杆的联接处。阀开关时，除产生交变应力外，且在联接