王方彬，賀東洋，王子維

（1.中石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610051）

（2.中國石油集團(tuán)中油測井西南分公司，重慶市 401132）

引言

閥桿作為閥門的重要零部件，主要用于傳遞閥門扭矩，而石油鉆采設(shè)備用閥桿通常運(yùn)行于氟離子、氯離子、硫離子及碳酸氫根等混合環(huán)境中，大多數(shù)閥桿均因桿件材料出現(xiàn)腐蝕并在應(yīng)力作用下誘發(fā)裂紋進(jìn)而引發(fā)斷裂失效，故石油鉆采設(shè)備用閥桿必須具備良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。在酸性介質(zhì)條件下，通常在石油鉆采設(shè)備用閥桿基材表面增加抗腐蝕性保護(hù)涂層以提升閥桿基材抗腐蝕性能。與此同時(shí)，還應(yīng)從閥桿自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、力學(xué)性能、零部件尺寸等方面出發(fā)，加強(qiáng)對閥桿腐蝕產(chǎn)物及截面組織等的深入分析，準(zhǔn)確確定出閥桿斷裂失效的根本原因，為閥桿制備工藝改進(jìn)提供借鑒參考。

1 閥桿斷裂失效原因分析

某石油鉆采系統(tǒng)所用閥桿長325mm，外徑最大值為31.8mm，主要采用1Cr13材質(zhì)，閥桿螺紋區(qū)表面按照0.01～0.025mm的設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行了氮碳共滲處理[1]，表面硬度至少為900HV。造成該閥桿卡死及斷裂的主要原因包括宏微觀兩個(gè)層面。

1.1 宏觀分析

通過對該閥桿斷裂部位的分析發(fā)現(xiàn)，其斷裂主要發(fā)生在閥桿氮碳共滲截面突變區(qū)根部，且靠近斷裂區(qū)域閥桿表面基本為黑色狀態(tài)，并存在局部性黃褐色銹蝕斑。直徑12.4mm的1條安全銷軸裝配在閥桿近端部，主要發(fā)揮連接套桿及在閥桿過載、卡死后優(yōu)先斷裂的保護(hù)作用。但閥桿斷裂后，該安全銷軸并未斷裂。根據(jù)該閥桿斷口宏觀形態(tài)，斷口基本呈橫向分布狀態(tài)，且直徑約24mm，多塊塑變平滑區(qū)域以棘輪狀分布在斷面邊緣環(huán)周處，切應(yīng)力作用下多源啟動(dòng)切斷應(yīng)為主要原因；斷面中心位置粗糙，分布有扭轉(zhuǎn)流變條紋，沿著扭轉(zhuǎn)方向可以看出明顯的凸起狀，應(yīng)主要受扭轉(zhuǎn)斷裂后瞬間正應(yīng)力所致。從整體上看，斷口主要表現(xiàn)為開始于斷面近邊緣處、終斷于斷面心部的過載性扭轉(zhuǎn)斷裂；閥桿在腐蝕性介質(zhì)的影響下導(dǎo)致其斷口表面銹蝕。

1.2 微觀分析

為探究鉆采設(shè)備用閥桿斷裂失效微觀原因，進(jìn)行了其斷口起始區(qū)電鏡掃描，結(jié)果顯示，接近斷口邊緣區(qū)域切口平整，僅局部存在因擠壓折疊原因而引發(fā)的微小階梯狀凸起，高倍電鏡掃描圖能清晰呈現(xiàn)出此區(qū)域內(nèi)斷面韌窩狀剪切塑性變形形貌。此外，還能明顯看出閥桿表面接近斷口區(qū)域存在多處微小腐蝕性凹坑，且細(xì)小龜裂紋分布在凹坑四周。

采用電鏡掃描技術(shù)分析閥桿斷口心部區(qū)域微觀性狀發(fā)現(xiàn)，此處斷面呈較為明顯的回旋狀凸起，且斷面切口粗糙，局部存在擠壓擦傷；斷面基本沿晶開裂，且局部夾雜韌窩狀，以上特征均表明閥桿斷口心部組織明顯出現(xiàn)脆性斷裂。

為分析影響該閥桿斷面的主要腐蝕性物質(zhì)，對該閥桿斷裂區(qū)域凹坑內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，根據(jù)結(jié)果，閥桿斷口過載性扭轉(zhuǎn)塑性斷裂特征十分明顯，而斷口心部則呈沿晶斷裂的脆性特征，基體內(nèi)不存在明顯的應(yīng)發(fā)斷裂的夾雜物，且斷口附近有較為明顯的腐蝕性裂紋，說明腐蝕是引發(fā)閥桿斷裂的一個(gè)原因；S和Cl等元素是引發(fā)閥桿斷口起始區(qū)及斷口心部區(qū)域腐蝕的主要元素。

2 閥桿軸銷剪切扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及硬度測試

2.1 剪切扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

測定該閥桿配套銷軸的剪切強(qiáng)度，測定結(jié)果顯示其剪切強(qiáng)度為599N/mm2，并在完好部位取樣同時(shí)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，閥桿桿件屈服扭矩和最大扭矩分別為959N·m和1356N·m，結(jié)合力矩平衡原理分析該閥桿最大扭矩與其配套安全銷軸剪切強(qiáng)度關(guān)系。閥桿配套銷軸斷裂時(shí)的剪切力F可表示如下：

其中：R—安全銷軸處閥桿半徑（mm）。將式（1）代入式（2）可以得出閥桿配套安全銷軸斷裂時(shí)外加扭矩T值為2305N·m。則該閥桿直徑區(qū)域扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)的扭矩1256N·m比其配套安全銷軸斷裂時(shí)外加扭矩2305N·m小，充分說明該閥桿受到過載外力作用時(shí)會(huì)先于安全銷軸而發(fā)生斷裂。

2.2 零件尺寸檢測

將閥桿拆解后通過三坐標(biāo)測量儀檢測閥體、支撐板、連接體等零部件實(shí)際尺寸，根據(jù)檢測結(jié)果，上支撐板左右兩頭至軸孔中心的長度分別為62.223mm和62.770mm，下支撐板左右兩頭至軸孔中心的長度分別為62.392mm和62.626mm；閥桿體左右止口端面到軸孔中心的長度分別為63.750mm和64.800mm。由此可見，連接體端面和支撐板端面之間存在一定間隙，上支撐板左右間隙尺寸分別為1.53mm和2.03mm，下支撐板左右間隙則為1.36mm和2.17mm。在如此大尺寸的間隙下，閥桿受到介質(zhì)力影響后會(huì)引發(fā)其支撐板移動(dòng)，傳遞至閥桿上的壓緊力會(huì)使閥桿承受較大的剪切力和扭矩，為此必須將連接體止口端和支撐板端面間隙控制在0.2～0.5mm以內(nèi)[2]，以避免閥桿承受的扭矩過大。

2.3 硬度測試

對石油鉆采設(shè)備用閥桿氮碳共滲區(qū)域表面進(jìn)行維氏硬度檢測，所得到的結(jié)果為743HV、808HV和872HV，規(guī)范規(guī)定應(yīng)不小于900HV，檢測結(jié)果明顯偏低；對該閥桿橫截面進(jìn)行布氏硬度檢測，得到的結(jié)果為235HBW、236HBW和232HBW，規(guī)范要求為198～235HBW。從以上檢測結(jié)果可以看出，該閥桿結(jié)構(gòu)表面氮碳共滲區(qū)域結(jié)構(gòu)硬度并未達(dá)到熱處理技術(shù)要求。

3 斷裂閥桿理化分析及無損檢測

3.1 化學(xué)成分檢測

通過光譜法進(jìn)行該石油鉆采設(shè)備用閥桿光譜分析，結(jié)果詳見表1。根據(jù)測試結(jié)果，在該閥桿化學(xué)成分中僅P元素含量略微超標(biāo)、C元素含量位于規(guī)范值上限，其余元素含量均符合規(guī)范要求。

表1 石油鉆采設(shè)備用閥桿化學(xué)成分（單位：%）

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照試驗(yàn)要求，將本文所分析的石油鉆采設(shè)備用閥桿加工為拉伸試件，并通過WE-60型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，試件抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為660MPa和465MPa，伸長率為9%，均不符合規(guī)范所規(guī)定的不小于1145MPa、不小于1110MPa及不小于26%的要求。為深入分析閥桿力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的原因，必須進(jìn)一步進(jìn)行微觀組織分析。

3.3 微觀組織分析

在該閥桿斷裂面取樣并對其法向截面進(jìn)行金相試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接近斷口邊緣區(qū)主要為均勻且呈連續(xù)帶狀分布的少量碳化物和回火索氏體組織結(jié)構(gòu)，并有流變現(xiàn)象；而閥桿斷口心部區(qū)域金相分析結(jié)果顯示，斷面區(qū)為帶狀鐵素體和回火索氏體。根據(jù)GB/T13299-1991的評級標(biāo)準(zhǔn)判定，其帶狀組織為五級，且組織中碳化體晶界清晰可辨，回火索氏體帶寬窄不一，但不存在十分明顯的夾雜物引發(fā)的斷裂缺陷[3]。試樣經(jīng)過合理工藝調(diào)質(zhì)處理后的金相組織主要表現(xiàn)為內(nèi)部均勻的回火索氏體。

4 結(jié)論

綜上所述，本文所分析的石油鉆采用閥桿斷裂屬于過載性扭轉(zhuǎn)斷裂，造成閥桿斷裂失效的主要原因在于零件尺寸不合格、連接體止口端和支撐板端面之間間隙過大、閥桿材料氮碳共滲區(qū)熱處理工藝不當(dāng)、化學(xué)成分中僅P元素含量略微超標(biāo)C元素含量位于規(guī)范值上限、硬度強(qiáng)度等均偏低及局部嚴(yán)重腐蝕。該閥桿在服役期間螺紋嚙合區(qū)飽受介質(zhì)腐蝕，導(dǎo)致螺紋區(qū)腐蝕膨脹進(jìn)而卡死，并在持續(xù)外部扭轉(zhuǎn)力及閥桿自身強(qiáng)度不足等因素的綜合作用下最終因過載而斷裂。為避免閥桿再次發(fā)生此類斷裂失效，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求確定原材料化學(xué)成分并進(jìn)行桿件表面處理，保證閥桿配套安全銷軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和閥桿最大扭矩的匹配性，并采取有效的防腐措施消除環(huán)境中腐蝕性因素，杜絕石油鉆采用閥桿斷裂失效問題的發(fā)生。