分享：海上氣田多相流量計(jì)球閥連接螺柱斷裂原因

某海上氣田高壓多相流量計(jì)連接隔離球閥閥體螺柱發(fā)生斷裂現(xiàn)象。經(jīng)勘察搶險(xiǎn)小組排查,發(fā)現(xiàn)底層甲板高壓多相流量計(jì)橇附近甲板面散落斷裂的螺柱,高壓多相流量計(jì)橇上操作層有脫落的閥體。確定該次油氣泄漏是由高壓多相流量計(jì)橇差壓液位計(jì)上隔離球閥閥體螺柱斷裂引起,球閥閥體崩裂,導(dǎo)致天然氣大量泄漏,造成平臺(tái)一級(jí)關(guān)停。螺柱斷裂現(xiàn)場如圖1所示。該螺柱材料為304奧氏體不銹鋼。 

圖  1  螺柱斷裂現(xiàn)場

事故發(fā)生前,通過系統(tǒng)測試確認(rèn)多相流量計(jì)系統(tǒng)處于正常生產(chǎn)狀態(tài),油嘴前壓力為400 kPa,油嘴后壓力為2 880 kPa。多相流量計(jì)操作壓力為1 900~5 120 kPa。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、斷口分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)等方法分析螺柱斷裂的原因,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

現(xiàn)場6根螺柱的縱向中間位置全部斷裂,螺柱斷口表面大部分呈黃褐色,且存在較大面積的銹跡,說明斷裂螺柱在現(xiàn)場環(huán)境條件下均存在一定程度的腐蝕；其中一根螺栓發(fā)生明顯縮頸現(xiàn)象,呈塑性變形斷裂特征,判斷該螺柱為最后的斷裂件；剩余的5根中,有3根螺柱斷口顏色更深,且斷口相對(duì)平直,由此推測該3根螺柱為較先斷裂件,從上述3根中選取2根斷口相對(duì)平齊的螺柱作為研究對(duì)象,分別標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)螺柱。1,2號(hào)螺柱斷口及側(cè)面宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：1號(hào)和2號(hào)螺紋側(cè)斷裂位置銹蝕較嚴(yán)重,遠(yuǎn)離斷口處的螺桿表面質(zhì)量相對(duì)較好,同時(shí)可見螺紋表面存在點(diǎn)蝕凹坑；每個(gè)螺柱的斷口靠近中心部位呈凸起狀,而螺紋邊沿周圍一圈相對(duì)位置較低,邊沿銹跡很多。 

圖  2  1號(hào)和2號(hào)螺柱斷口及側(cè)面宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 11170－2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對(duì)斷裂螺柱進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：根據(jù) GB/T 20878－2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》中關(guān)于304不銹鋼成分的規(guī)定,該不銹鋼螺柱化學(xué)成分中錳元素含量比標(biāo)準(zhǔn)值偏高,鉻元素含量比標(biāo)準(zhǔn)值偏低,斷裂螺柱的化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 

1.3   斷口分析

首先使用乙醇將1,2號(hào)螺柱的斷口清洗干凈,采用掃描電鏡（SEM）配置的能譜儀對(duì)斷口表面、螺紋表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)成分分析,得到斷口表面除了基體金屬元素Fe、Mn、Cr、Ni外,還含有較高含量的O元素,以及少量來自海洋大氣環(huán)境中的Cl、S等元素,這說明螺柱受到了海洋大氣環(huán)境的腐蝕。螺紋表面除了基體金屬元素外,還含有較高含量的O、Ca、Si、Cl、S等元素,說明螺紋表面也受到了環(huán)境介質(zhì)的腐蝕,螺紋表面Cl元素含量低于斷口表面Cl元素含量,說明腐蝕過程中Cl元素更容易滲入螺柱內(nèi)部,并在內(nèi)部聚集,進(jìn)一步促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生[1-2]。 

采用酸洗液對(duì)上述螺柱斷口進(jìn)行清洗,清洗后的斷口形貌如圖3所示。采用體視顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)螺紋表面存在點(diǎn)蝕凹坑,推測為斷裂源區(qū),且為多源區(qū)。 

圖  3  螺柱斷口清洗后宏觀形貌

將1號(hào)螺柱斷口置于SEM下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源附近可見大量沿晶形貌,呈冰糖狀,局部平整區(qū)域可見密集分布的細(xì)小孔洞缺陷,裂紋擴(kuò)展區(qū)存在拉長的顆粒狀形貌,近螺紋表面局部位置有龜裂特征,并伴有泥紋狀花樣,在晶界處存在二次裂紋,同時(shí)裂紋存在分支；瞬斷區(qū)未發(fā)生斷裂時(shí),單位面積所受應(yīng)力較大,斷裂時(shí)斷面形成較長的二次裂紋；斷口大部分位置均呈現(xiàn)沿晶脆性斷裂特征[3],局部位置存在疏松、孔洞類缺陷。 

圖  4  1號(hào)螺柱斷口SEM形貌

將2號(hào)螺柱斷口置于SEM下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：2號(hào)螺柱斷口與1號(hào)螺柱斷口類似,以沿晶形貌為主,且晶內(nèi)存在多處孔洞,呈沿晶脆性斷裂特征；近外表面局部位置可見疲勞條帶特征,說明該螺柱在失穩(wěn)狀態(tài)下受到了一定的交變載荷作用,存在一定的疲勞斷裂形貌特征。根據(jù)以上斷口的微觀分析結(jié)果,可以確定1號(hào)螺柱和2號(hào)螺柱的斷裂性質(zhì)均屬于應(yīng)力腐蝕斷裂[4]。 

圖  5  2號(hào)螺柱斷口典型SEM形貌

1.4   硬度測試

在螺柱全壁厚橫截面截取試樣,采用維氏硬度計(jì)測量1,2號(hào)螺栓的顯微硬度,一共測試5個(gè)點(diǎn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：螺柱硬度偏高,且表面硬度普遍高于心部硬度,硬度高導(dǎo)致其韌性差,螺柱表面容易產(chǎn)生裂紋。 

1.5   金相檢驗(yàn)

將1,2號(hào)螺柱橫截面試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：1號(hào)和2號(hào)螺柱橫截面的顯微組織均為奧氏體,部分呈孿晶特征,晶界附近有顆粒狀碳化物析出；晶界析出的碳化物一方面會(huì)降低晶界結(jié)合力,增大材料的脆性,從而降低材料的力學(xué)性能,另一方面,晶界析出的碳化物會(huì)使晶界附近優(yōu)先發(fā)生腐蝕,進(jìn)一步降低不銹鋼的耐腐蝕性能[5]。另外,還有兩個(gè)螺柱的橫截面均存在樹枝狀裂紋,裂紋從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展,呈典型的應(yīng)力腐蝕特征,這也說明完好螺柱內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕裂紋[6-7]。 

圖  6  1,2號(hào)螺柱橫截面試樣拋光態(tài)微觀形貌

2.   綜合分析

兩個(gè)斷裂螺柱斷口處存在腐蝕現(xiàn)象,且未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形,表明上述兩個(gè)螺柱的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂。螺柱外表面存在較長的裂紋,且已擴(kuò)展至螺柱內(nèi)部,1號(hào)和2號(hào)螺柱表面裂紋的裂紋源均從螺柱表面產(chǎn)生,并向螺柱內(nèi)部擴(kuò)展,同時(shí)螺柱的微觀斷口呈冰糖顆粒狀,斷口具有典型的沿晶脆性斷裂形貌特征[8]。 

化學(xué)成分分析結(jié)果顯示上述螺柱的Mn元素含量較高,而Cr元素含量較低,不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于304不銹鋼成分的規(guī)定。螺紋表面存在疏松狀缺陷,同時(shí)存在樹枝狀裂紋,裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展,并且裂紋呈典型的沿晶開裂特征。裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物中Cl元素含量較高。結(jié)合現(xiàn)場球閥連接螺柱的服役工況,其工作在海洋大氣環(huán)境下,空氣中氯離子含量較高,螺柱表面腐蝕性介質(zhì)導(dǎo)致材料發(fā)生腐蝕,而氯離子能夠破壞金屬表面已形成的鈍化膜和腐蝕產(chǎn)物膜,使材料連續(xù)發(fā)生腐蝕。在螺柱材料化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)的情況下,螺柱在裝配過程中要承受一定的預(yù)緊力,螺柱具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件[9-10]。螺柱材料為奧氏體不銹鋼,其微觀形貌顯示在晶界處存在碳化物的析出,碳化物的存在降低了螺柱的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。在海洋大氣環(huán)境下,螺柱表面首先形成了應(yīng)力腐蝕裂紋,并沿徑向擴(kuò)展至螺柱內(nèi)部；該球閥螺栓在服役過程中,不定期的球閥開閉導(dǎo)致球閥內(nèi)部介質(zhì)流體的流速變化,使球閥連接螺柱振動(dòng),振動(dòng)會(huì)加速應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展；同時(shí),螺柱在所受的靜態(tài)預(yù)緊力的作用下,裂紋不斷擴(kuò)展,材料不斷發(fā)生腐蝕,直至螺柱整體發(fā)生開裂[11-12]。從螺柱斷口微觀形貌來看,裂紋源處的龜裂形貌和泥紋狀花樣也是應(yīng)力腐蝕的典型特征,進(jìn)一步驗(yàn)證了螺柱斷裂是由應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的[13-15]。 

3.   結(jié)論及建議

該球閥連接螺柱斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂,在海洋大氣環(huán)境及預(yù)緊力的作用下,螺柱徑向萌生了一系列裂紋,螺柱受到外界腐蝕,介質(zhì)流速發(fā)生變化,在振動(dòng)的影響下,裂紋沿徑向長大并擴(kuò)展,當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到一定程度時(shí),螺柱整體斷裂。 

建議加強(qiáng)螺柱入場檢驗(yàn),確保其材料性能滿足技術(shù)要求；同時(shí)加強(qiáng)螺柱的防腐,或者選用更加耐應(yīng)力腐蝕材料的螺柱。

文章來源——材料與測試網(wǎng)