紧急卸荷阀阀座的失效分析与改进

冯玲

2in-105MPa紧急卸荷阀是油田固井、压裂作业的重要设备，它主要配备在压裂车、固井车、钻井泥浆泵等高压系统上。当系统意外超压时，它会自动打开，立即释放系统的压力，以保证作业现场人员和设备的安全，在系统故障排除后，它又立即恢复到原态。

该产品是靠高精度钢球和不锈钢阀座进行硬密封，为了保证作业设备的正常工作，要求该产品在设定工作压力下要保证可靠密封，不允许有泄漏。因此，阀座是决定该产品质量的最重要的零件。

1.阀座的失效情况

10台压裂车组在建南新店2井酸化压裂过程中，紧急缷荷阀有5件完全失效。拆开4件后发现，紧急缷荷阀阀座出现裂纹。另外，返厂的6件紧急缷荷阀，拆开后发现，5件紧急缷荷阀阀座完全裂开。阀座大多成三片对称开裂，如图1所示。

2.阀座的断口形貌

从断口形貌来看，大多数断口表面上没有疲劳裂纹，没有明显的塑性变形，断口平齐，成脆性开裂，裂纹的走向基本上与所受的应力相垂直，且具有强烈的方向性，如图2所示。经分析，认为阀座失效是应力腐蚀所致开裂。

3.原因分析

阀座材料为30Cr13，系马氏体不锈钢，热处理后的硬度为50～55HRC，阀座内应力较大。

在作业过程中，阀座同时还承受着较大的预紧力。

在酸化压裂过程中，常用的酸化压裂液为盐酸或土酸，盐酸的含量最高可达28%。当阀座与高压流体中盐酸或土酸接触时，盐酸中的Cl-破坏了不锈钢表面的钝化膜，在阀座表面腐蚀敏感部位形成微小坑陷，坑陷在酸液和内外应力的共同作用下产生微观裂纹。当盐酸渗入裂缝尖端，氢离子在尖端析出，渗入裂纹前缘，使金属脆化。

裂纹在腐蚀和脆断以及应力的反复作用下迅速前进，最终腐蚀开裂，出现低于抗拉强度的脆性开裂现象。不锈钢的应力腐蚀其隐蔽性和危害性远大于其他腐蚀，往往会造成重大的工程事故。

4.防止应力腐蚀的方法

（1）在加工制造过程中，采取必要的措施以减少残余应力。

（2）选择合适的阀座材料，在提高阀座心部韧性的同时，对阀座进行表面改性处理，使阀座表面生成一层非晶态耐蚀合金，从而提高阀座的耐蚀性能。

5.改进措施及效果

由于盐酸具有强还原性，因此盐酸的腐蚀问题一直困扰着科研人员。尽管哈氏合金等能较好地抵抗盐酸的腐蚀，但其价格极其昂贵，难以大规模推广，一般不锈钢在解决这个问题时则常常作用不大，镍磷合金是解决这一问题的较好途径之一。

镍磷合金化学镀层属非晶态镀层，非晶态合金不存在晶界、偏析等晶体缺陷，具有均一的钝化膜，同时非晶态合金本身的高反应活性，能快速形成钝化膜，从而使其具有较高的耐蚀性。

（1）改进方案 阀座材料采用12Cr13，调质处理，阀座表面镍磷化学镀硬度达到27～31HRC。

图1 阀座开裂

（2）验证方法 将表面进行镍磷化学镀的阀座和没有镍磷化学镀的阀座同时浸泡在酸化压裂液（28%HCl）中，浸泡72h后，未镍磷化学镀的阀座表面成蜂窝状（见图3），而进行镍磷化学镀的阀座表面没有腐蚀坑（见图4）。

图2 阀座断口形貌

图3 未镍磷化学镀阀座

图4 镍磷化学镀阀座