平板閥敷焊合金閥板斷裂原因分析

薛繼軍

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710065）

2011年12月1日，某井安裝防噴器組，轉(zhuǎn)入氮?dú)忏@井施工準(zhǔn)備。12月10日至15日，采用氮?dú)忏@進(jìn)至井深4811.38 m.12月15日至19日進(jìn)行中途測(cè)試。12月20日，進(jìn)行泥漿壓井、鉆進(jìn)。2012年1月16日，臨時(shí)完井作業(yè)。1月17日，現(xiàn)場(chǎng)全套井控裝備（包括多功能四通主密封）試壓105 MPa合格。之后，為了更好的總結(jié)評(píng)價(jià)井控裝備的可靠性，優(yōu)化氮?dú)忏@井井控裝備配套方案，確保井控安全，對(duì)于井口裝備進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測(cè)分析。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)多功能四通側(cè)出口兩個(gè)平板閥閥板在通孔處斷裂，為弄清斷裂原因，對(duì)該閥板進(jìn)行失效分析。

1 宏觀形貌

斷裂閥板基體材料為1Cr13，通過(guò)熱噴焊方式在閥板基體上敷焊了一層Ni60合金層。經(jīng)宏觀分析，1#閥板斷口有沖蝕現(xiàn)象，通孔四周存在較多徑向裂紋，且起源于通孔內(nèi)壁；2#閥板斷口未發(fā)現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象，通孔四周也存在較多徑向裂紋，這些裂紋都起源于通孔外壁，且有剝落現(xiàn)象。

測(cè)量閥板敷焊合金層的厚度，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：閥板敷焊合金層的厚度不均勻，最厚處為1.72mm，最薄處為0.29mm.

表1 閥板敷焊合金層厚度測(cè)量結(jié)果

2 試驗(yàn)分析

2.1 理化檢驗(yàn)

在閥板基體上取樣，依據(jù)GB/T 4336-2002標(biāo)準(zhǔn)使用ARL3460直讀光譜儀檢測(cè)閥板基體材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表2所示。由表2知閥板基體材料化學(xué)成分符合廠家技術(shù)要求。

表2 閥板基體材料化學(xué)成分分析結(jié)果（w t.%）

依據(jù)APISPEC 6A規(guī)定，在斷裂閥板的底部和上半部位置處分別取樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)采用縱向棒狀試樣，標(biāo)距內(nèi)直徑為φ6.25 mm.沖擊試驗(yàn)采用縱向夏比沖擊試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm.試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。分別對(duì)敷焊合金層和基體進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明該閥板材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊值不符合要求，延伸率、斷面收縮率和硬度值符合要求。

表3 拉伸和沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 SEM斷口分析

在斷口附近切取金相試樣進(jìn)行組織分析。敷焊合金層顯微組織為鎳基固溶體和硬質(zhì)相；界面處為一條白亮帶，這一白亮帶是敷焊合金層與基體組織相互擴(kuò)散的結(jié)果，在白亮帶內(nèi)存在氣孔（見(jiàn)圖1）；基體顯微組織為回火索氏體。掃描電子顯微鏡下觀察Ni60敷焊合金層（如圖2），可以看出Ni60敷焊合金層鎳基固溶體中存在較多析出相。由能譜分析可知，這些相為富鉻析出相。

圖1 敷焊合金層和基體界面金相組織圖

圖2 Ni60敷焊合金層金相組織形貌

2.3 斷口宏觀分析

用丙酮清洗斷裂閥板，發(fā)現(xiàn)1#閥板、2#閥板敷焊合金層都存在大量裂紋，如圖3所示。1#閥板敷焊合金層的裂紋起源于通孔內(nèi)壁，2#閥板敷焊合金層的裂紋起源于通孔外壁。閥板通孔兩側(cè)截面積最小，因此，該處所承受的拉應(yīng)力最大，這也正是1#、2#閥板在這個(gè)位置斷裂的原因。

圖3 閥板表面敷焊合金層裂紋形貌

2.4 斷口微觀分析

在閥板撕裂棱的近表面處沿軸向切取金相試樣，發(fā)現(xiàn)存在裂紋，其走向及其周?chē)M織形貌如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)敷焊合金層中存在兩條裂紋，其中一條已貫穿到基體內(nèi)部，另一條擴(kuò)展到敷焊合金層和基體的界面形成界面裂紋。

圖4 敷焊合金層裂紋形貌

在1#和2#閥板斷口上取樣分析斷口微觀形貌，如表5所示。從表中可以看出，1#閥板裂紋起源于敷焊合金層，擴(kuò)展區(qū)為解理花樣特征。2#閥板裂紋也起源于敷焊合金層，源區(qū)存在許多小刻面，擴(kuò)展區(qū)為沿晶特征，最終斷裂區(qū)為解理特征。

表5 1#和2#閥板斷口微觀形貌

3 討論及建議

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有裂紋均起源于閥板表面的Ni60敷焊合金層，采用金相和掃描電鏡手段對(duì)裂紋性質(zhì)進(jìn)行分析，判定1#、2#閥板斷口斷裂機(jī)理為脆性斷裂[1]。現(xiàn)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)裂紋形成原因進(jìn)行分析，其過(guò)程如下：

（1）經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該閥板材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和縱向沖擊功均不符合廠家技術(shù)要求。說(shuō)明該閥板的強(qiáng)度和斷裂韌性均較低。

（2）在熱噴焊過(guò)程中，噴焊材料的性能、噴焊工藝參數(shù)以及敷焊合金層材料與基體材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)的不同，會(huì)造成殘余應(yīng)力的大量存在。殘余應(yīng)力對(duì)敷焊合金層的厚度、質(zhì)量以及敷焊合金層構(gòu)件精度、尺寸穩(wěn)定性等方面有很大影響，是導(dǎo)致敷焊合金層開(kāi)裂、剝落等失效形式的主要原因之一。

噴焊過(guò)程中，熔融的顆粒在噴向基體表面時(shí)，在沖擊力的作用下[2]，迅速擴(kuò)展為層狀結(jié)構(gòu)，后續(xù)的噴涂材料不斷疊加形成疊層結(jié)構(gòu)，在層狀結(jié)構(gòu)的界面處，存在大量的微觀缺陷。熔滴的快速凝固，導(dǎo)致冷卻過(guò)程中在層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成較大拉伸狀態(tài)的淬火殘余應(yīng)力。

當(dāng)敷焊合金層由高溫冷卻到常溫時(shí)，敷焊合金層與基體線膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生較大的失配應(yīng)力，即熱應(yīng)力。由于Ni60敷焊合金層的線膨脹系數(shù)比基體材料1Cr13大，當(dāng)敷焊合金層由高溫冷卻到常溫時(shí)，敷焊合金層會(huì)較基體快速收縮，敷焊合金層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力[3]。

（3）所有斷口都起源于閥板的Ni60敷焊合金層，裂紋擴(kuò)展至敷焊合金層與基體的界面時(shí)，分兩種情況來(lái)考慮：若界面存在大量的微觀缺陷，敷焊合金層與基體的結(jié)合力較弱，會(huì)形成界面裂紋，導(dǎo)致敷焊合金層與界面分層，甚至剝落；若界面微觀缺陷較少，敷焊合金層與基體的結(jié)合力較強(qiáng)，該部位可以看作帶缺口的試件，基體在該部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致敷焊合金層裂紋貫穿界面進(jìn)入基體內(nèi)部直至斷裂。

（4）在敷焊合金層內(nèi)存在較多析出硬質(zhì)相，合金層與基體界面處又存在微觀缺陷（氣孔、縮孔）。高速流體對(duì)閥板通孔的內(nèi)壓引起合金層存在張應(yīng)力，與合金層內(nèi)殘余應(yīng)力疊加，在硬質(zhì)相和微觀缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致敷焊合金層產(chǎn)生了裂紋[4]?；w材料的沖擊韌性較低，其臨界裂紋擴(kuò)展阻力較小，裂紋擴(kuò)展至合金層與基體界面易于貫穿到基體內(nèi)，引起閥板斷裂。

（5）熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致合金層組織存在較多析出硬質(zhì)相，應(yīng)改進(jìn)熱處理工藝[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）失效閥板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊功均不符合技術(shù)要求，材質(zhì)不合格是導(dǎo)致閥板斷裂的主要原因。

（2）所送閥板敷焊合金層組織存在較多硬質(zhì)相，界面附近存在氣孔和縮孔，引起合金層出現(xiàn)裂紋。基體材料沖擊韌性較低，使裂紋較容易擴(kuò)展延伸至基體內(nèi)部，從而發(fā)生斷裂，所以不合理的熱處理工藝是導(dǎo)致閥板失效的另一個(gè)原因。

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