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擇要：因為硫化氫的強烈腐蝕作用，要求開采含硫油氣田的設(shè)備和材料必須具有優(yōu)秀的抗硫化氫腐蝕性能。為此，對川西含硫油氣田在用的鑄造井口閥門進行了拆檢研究，拆檢的零件包括手輪、閥桿銅螺母、軸承座、推力球軸承、填料壓蓋、填料環(huán)和密封圈、閥桿、閥蓋、閥板、閥體、螺栓和螺母等。拆檢效果注解，井口閥門中的某些零件存在結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理和材料選擇不當(dāng)?shù)阮}目，因而降低了井口閥門的抗硫化氫腐蝕能力。針對閥門零件存在的題目，進行了初步研究，并提出若干改動意見。

主題詞：井口裝配　閥門　抗腐蝕性　檢查

隨著我國國民經(jīng)濟的敏捷發(fā)展，國內(nèi)對能源的需求量急劇上升，作為緊張能源之一的石油，供需矛盾日漸凸起。顯然，加快開發(fā)高含硫油氣田的全套技術(shù)，是中國石油自然氣集團公司一項有遠見的戰(zhàn)略措施，不但十分需要，而且是當(dāng)務(wù)之急。在含硫油氣田開采中， 因為硫化氫的強烈腐蝕作用， 就要求設(shè)備及材料能夠知足抗硫化氫腐蝕條件。為此，我們對消費量相稱大的川西含硫油氣田鑄造井口閥門進行了拆檢研究(共拆檢兩只閥門)。

拆檢前的表面檢查

1號閥門的檢查情況： 閥體、閥蓋、軸承座外外觀漆層大部分脫落； 閥體的兩端及閥蓋有顯明的銹蝕；軸承座有部分銹蝕；閥桿頂部光亮無蝕；軸承座開孔處有黑色沉積物。

2號閥門的檢查情況： 閥體、閥蓋漆層部分脫落；兩端法蘭漆層脫落處有顯明的銹蝕；軸承底漆大部分脫落，并有少量的紅色銹物；閥桿頂部光亮無蝕，中心部位有黑色沉積物。

拆檢效果分析及建議

因為研究經(jīng)費有限，本次拆檢的井口閥門數(shù)量有限。送檢的閥門屬于早期生產(chǎn)的產(chǎn)品，但從腐蝕程度評估，這些閥門的服役時間較短。這里，筆者提出的只是一些初步的看法，要獲得更正確可靠的結(jié)論，仍有待于對大批量閥門的普查與研究。

1、手輪

手輪是啟閉閥板的零件，為鑄鋼件，拆檢情況優(yōu)秀，但其配合件青銅螺母配合外觀有大量擦傷拉毛征象，手輪設(shè)計有待于改動。分析認(rèn)為，當(dāng)裝置手輪時，假如手輪內(nèi)孔有毛刺或碰傷，裝置不進時，現(xiàn)場工人可能會強行裝置，從而將銅螺母拉毛。建議將手輪內(nèi)孔設(shè)計為內(nèi)錐孔，銅螺母配合面為外錐面，以便于拆卸和裝置。

2、閥桿銅螺母

拆檢發(fā)現(xiàn)，閥桿銅螺母的梯形螺紋齊備，只有與手輪配合的外外觀及鍵槽處被緊張拉毛，造成裝置困難。直觀的感覺是銅螺母太長，若經(jīng)強度校核后，銅螺母長度可以縮短，則不僅可節(jié)省銅的用量，也可削減響應(yīng)的閥桿材料用量。

閥門采用這種銅螺母的好處是：(1)便于拆卸；(2)與硫化氫介質(zhì)隔離。瑕玷是因為銅材外露，易受到人為破壞，從而有可能導(dǎo)致龐大事故。設(shè)計時應(yīng)考慮對人為破環(huán)因素的提防。根據(jù)美國抗硫閥門的技術(shù)規(guī)范MR―01―75的規(guī)定， 抗硫銅合金只許可使用鋁青銅。但這種閥的設(shè)計，現(xiàn)實上已將硫化氫基本密封在閥內(nèi)，閥桿處銅螺母是否許可采用其它非抗硫材料，有待進一步討論。

3、軸承座

拆檢發(fā)現(xiàn)，軸承座下腔有少量黑色腐蝕產(chǎn)物，可能與微量硫化氫的滲漏有關(guān)，其它部位(尤其是內(nèi)螺紋)齊備，無腐蝕。軸承座用騎馬螺釘進行軸承定位，不利于推力球軸承間隙的調(diào)節(jié)。在高腐蝕性氣體條件下，騎馬螺釘易銹死，造成拆卸困難。建議設(shè)計時對這一結(jié)構(gòu)予以改動。

4、推力球軸承

拆檢下來的推力球軸承有不同程度的銹蝕。該處現(xiàn)實上與硫化氫介質(zhì)是隔離的，但從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，銅螺母上只有下密封圈而沒有上密封圈，因為大氣中腐蝕性潮氣及晝夜溫差，在鋼外觀的結(jié)霜及附著的露水，極有可能從調(diào)節(jié)螺母與銅螺母之間的間隙處進入軸承腔，引起軸承各零件銹蝕，而且閥桿的取向位置不同(垂直或平行于地面)，軸承銹蝕程度就有所不同。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮推力球軸承的密封題目。

5、填料壓蓋

填料壓蓋銹蝕較緊張。壓蓋用于調(diào)節(jié)填料的密封，尤其在有微量硫化氫滲漏時，要予以調(diào)節(jié)擰緊。若壓蓋銹死， 則填料將不能起調(diào)節(jié)密封作用，這將緊張影響閥門的工作性能。建議壓蓋改用耐蝕性較好的不銹鋼制造。

6、填料環(huán)和密封圈

拆卸兩閥門時發(fā)現(xiàn)，在閥桿處有5只聚四氟乙烯填料環(huán)。一只閥門的閥蓋處有一只橡膠密封圈已變形，而另一只閥門閥蓋處的聚四氟乙烯密封圈基本齊備。另外，在閥桿螺母處有一只小的橡膠密封圈基本齊備。總的來看，聚四氟乙烯填料環(huán)和密封圈均未損傷，抗硫化氫性能優(yōu)秀，而橡膠密封圈則老化、變形。建議在抗硫化氫閥門的彈性密封處采用聚四氟乙烯或較穩(wěn)固的氟橡膠作密封材料。

7、閥桿

拆卸下的閥桿齊備，僅光桿面上有少量銹蝕和點蝕，考慮閥門在強腐蝕性硫化氫介質(zhì)條件下工作多年，可認(rèn)為閥桿材料是基本合格的。筆者認(rèn)為，閥桿各部分工作應(yīng)力大小極不匹配；工作槽槽根加工為銳角，易引起應(yīng)力集中，從而誘發(fā)高應(yīng)力腐蝕條件下的硫化氫應(yīng)力腐蝕破壞。為此，建議對閥桿設(shè)計進行強度校核。另外，梯形螺紋的根角半徑是取標(biāo)準(zhǔn)值照舊考慮應(yīng)力腐蝕因子而加大根角半徑，是設(shè)計時應(yīng)細致的題目。

閥桿是閥門緊張的受力件，也是易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂而使閥門失效的零件。在閥桿設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)在材料選擇、加工制造、熱處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面制定出細致的技術(shù)規(guī)范。

8、閥蓋

拆卸下的閥蓋除銹蝕外，基本齊備。據(jù)四川石油管理局勘察設(shè)計研究院的拆檢報告，閥蓋材料為45號鋼，硬度為202～304HB，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的187～225HB。其重要的化學(xué)成分C，Mn，Si，P，S含量合格，有害元素含量低。閥蓋是接觸硫化氫介質(zhì)的緊張零件之一， 建議改用鍛件制造。有下列幾點值得細致。

(1)閥蓋內(nèi)腔所有臺階處圓角都很小，是機械設(shè)計規(guī)定的天然圓角?？紤]到閥蓋是在硫化氫腐蝕性介質(zhì)中承受高應(yīng)力的元件，由機械加工形成的尖角處很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中及隨后發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂，建議閥蓋設(shè)計時充分加大所有的圓角過渡半徑。這一原則應(yīng)貫徹到所有抗硫設(shè)備元件的設(shè)計中。閥蓋最小壁厚處的強度也應(yīng)進行校核，與閥體相匹配。

(2)若閥蓋熱處理硬度過高，將導(dǎo)致鋼材在H2S介質(zhì)中受硫化氫應(yīng)力腐蝕破環(huán)而早期失效。這次拆檢閥門的閥蓋最高硬度達304HB(相稱于33HRC)，對硫化氫介質(zhì)下工作的壓力容器來說是傷害的。造成這種硬度超標(biāo)的緣故原由可能與淬火后回火溫度不足有關(guān)，建議采用特制的硬度銼或硬度針做現(xiàn)場普查。若在用的閥蓋及閥體硬度超標(biāo)，應(yīng)盡早替換，以防萬一。

(3)閥蓋材料的含碳量好像偏高， 對于抗硫化氫閥門的閥蓋，建議用含碳量較低的低合金鋼制造(如用20CrMo或含碳量更低的低合金鋼CrMo代替現(xiàn)行的45號鋼)。同時熱處理保證其硬度≤22HRC和夏比沖擊韌性≥70J。

9、閥板

拆卸下的閥板團體腐蝕緊張，但閥板密封面堆焊層狀況優(yōu)秀。閥板的T形槽根部為尖角過渡，易引起應(yīng)力集中，這是導(dǎo)致閥板損壞的重要緣故原由之一。建議將T形槽根部改成圓角過渡，或設(shè)計成弧形T形槽。閥板是在高腐蝕性介質(zhì)下的運動零件，顯然，閥板大面積腐蝕將誘發(fā)種種閥門故障(如氣體走漏等)。 建議采用耐蝕性較高的鋼材制造。

10、閥體

拆卸下的閥體除內(nèi)腔均勻腐蝕和外部脫漆銹蝕外，基本結(jié)構(gòu)齊備。但研究認(rèn)為，此閥體不宜為抗硫化氫閥門所采用。

閥體的法蘭盤過厚且厚薄不均，熱處理時會引起附加的淬火內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致淬火裂紋。建議對法蘭盤厚度作強度校核。法蘭盤連接為8個M25螺栓，按閥門許可的最大工作壓力25MPa和閥體通孔直徑65mm估算，法蘭可能承受的最大軸向載荷為81.4kN，每個螺栓以凈截面積314mm2計算，其最大拉應(yīng)力僅為33MPa，不到JB4294.1―86標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的螺栓最小屈服強度的1/15，這說明現(xiàn)有閥門結(jié)構(gòu)的設(shè)計不合理。使用中大多數(shù)螺栓斷裂并不是因為工作應(yīng)力太大，超過螺栓屈服強度引起的，相反，重要是在硫化氫介質(zhì)條件下，螺栓屈服強度過大，對硫化氫特別很是敏感，最終由硫化氫應(yīng)力腐蝕破壞引起的。設(shè)計部門對此應(yīng)有充足的熟悉，不應(yīng)一味尋求鋼的高強度和螺栓的大直徑。

11、螺栓和螺母

因為閥門均未帶法蘭連接螺栓，故拆檢中未涉及。從管理的角度考慮，為防止螺栓銹死，現(xiàn)場對螺栓、螺母的定期涂漆或涂油防銹是有用的增補措施。另一種解決方案是對螺栓、螺母進行外觀鍍鎳，可大大便利現(xiàn)場工人的維修和管理。

螺栓和螺母是閥門中承受高應(yīng)力的零件 ，承受閥體的最大關(guān)井壓力，還有自己的裝置應(yīng)力。因為法蘭連接處硫化氫的微量走漏難以避免，故螺栓發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的傷害性較大，應(yīng)選擇抗硫化氫應(yīng)力腐蝕破壞的材料。JB4294.1―86標(biāo)準(zhǔn)中僅規(guī)定沉淀硬化不銹鋼和40CrMnMo鋼制造抗硫螺栓，選擇范圍小。根據(jù)美國防腐工程師協(xié)會保舉的MR―01―75標(biāo)準(zhǔn)，大部分抗硫鋼材都可制造螺栓和螺母。建議往后在這方面做一些實驗，在此基礎(chǔ)上，選擇制造成本低及工藝性能好的材料制造螺栓和螺母。

綜上所述，拆檢的井口閥門零件存在某些結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理及材料選擇不當(dāng)?shù)阮}目，因而降低了井口閥門的抗硫化氫腐蝕能力。在往后的設(shè)計工作中對此應(yīng)給予充足的正視。

作者簡介：張盾，助理研究員，生于1965年，1987年卒業(yè)于北京工業(yè)學(xué)院金屬材料及熱處理專業(yè)；1993年卒業(yè)于中國科學(xué)院金屬研究所金屬材料專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事金屬材料研究工作.地址：(110015)遼寧省沈陽市。電話：(024)23843531-55412。

作者單位：張盾 冼愛平 王儀康　中國科學(xué)院金屬研究所

王秦晉 四川石油管理局勘察設(shè)計研究院

信息來源：中國閥門之都