馮玲

2in-105MPa緊急卸荷閥是油田固井、壓裂作業(yè)的重要設備，它主要配備在壓裂車、固井車、鉆井泥漿泵等高壓系統(tǒng)上。當系統(tǒng)意外超壓時，它會自動打開，立即釋放系統(tǒng)的壓力，以保證作業(yè)現場人員和設備的安全，在系統(tǒng)故障排除后，它又立即恢復到原態(tài)。

該產品是靠高精度鋼球和不銹鋼閥座進行硬密封，為了保證作業(yè)設備的正常工作，要求該產品在設定工作壓力下要保證可靠密封，不允許有泄漏。因此，閥座是決定該產品質量的最重要的零件。

1.閥座的失效情況

10臺壓裂車組在建南新店2井酸化壓裂過程中，緊急缷荷閥有5件完全失效。拆開4件后發(fā)現，緊急缷荷閥閥座出現裂紋。另外，返廠的6件緊急缷荷閥，拆開后發(fā)現，5件緊急缷荷閥閥座完全裂開。閥座大多成三片對稱開裂，如圖1所示。

2.閥座的斷口形貌

從斷口形貌來看，大多數斷口表面上沒有疲勞裂紋，沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，成脆性開裂，裂紋的走向基本上與所受的應力相垂直，且具有強烈的方向性，如圖2所示。經分析，認為閥座失效是應力腐蝕所致開裂。

3.原因分析

閥座材料為30Cr13，系馬氏體不銹鋼，熱處理后的硬度為50～55HRC，閥座內應力較大。

在作業(yè)過程中，閥座同時還承受著較大的預緊力。

在酸化壓裂過程中，常用的酸化壓裂液為鹽酸或土酸，鹽酸的含量最高可達28%。當閥座與高壓流體中鹽酸或土酸接觸時，鹽酸中的Cl-破壞了不銹鋼表面的鈍化膜，在閥座表面腐蝕敏感部位形成微小坑陷，坑陷在酸液和內外應力的共同作用下產生微觀裂紋。當鹽酸滲入裂縫尖端，氫離子在尖端析出，滲入裂紋前緣，使金屬脆化。

裂紋在腐蝕和脆斷以及應力的反復作用下迅速前進，最終腐蝕開裂，出現低于抗拉強度的脆性開裂現象。不銹鋼的應力腐蝕其隱蔽性和危害性遠大于其他腐蝕，往往會造成重大的工程事故。

4.防止應力腐蝕的方法

（1）在加工制造過程中，采取必要的措施以減少殘余應力。

（2）選擇合適的閥座材料，在提高閥座心部韌性的同時，對閥座進行表面改性處理，使閥座表面生成一層非晶態(tài)耐蝕合金，從而提高閥座的耐蝕性能。

5.改進措施及效果

由于鹽酸具有強還原性，因此鹽酸的腐蝕問題一直困擾著科研人員。盡管哈氏合金等能較好地抵抗鹽酸的腐蝕，但其價格極其昂貴，難以大規(guī)模推廣，一般不銹鋼在解決這個問題時則常常作用不大，鎳磷合金是解決這一問題的較好途徑之一。

鎳磷合金化學鍍層屬非晶態(tài)鍍層，非晶態(tài)合金不存在晶界、偏析等晶體缺陷，具有均一的鈍化膜，同時非晶態(tài)合金本身的高反應活性，能快速形成鈍化膜，從而使其具有較高的耐蝕性。

（1）改進方案 閥座材料采用12Cr13，調質處理，閥座表面鎳磷化學鍍硬度達到27～31HRC。

圖1 閥座開裂

（2）驗證方法 將表面進行鎳磷化學鍍的閥座和沒有鎳磷化學鍍的閥座同時浸泡在酸化壓裂液（28%HCl）中，浸泡72h后，未鎳磷化學鍍的閥座表面成蜂窩狀（見圖3），而進行鎳磷化學鍍的閥座表面沒有腐蝕坑（見圖4）。

圖2 閥座斷口形貌

圖3 未鎳磷化學鍍閥座

圖4 鎳磷化學鍍閥座