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(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 甘肃 兰州 730070)

0 引 言

随着油田开发进入中后期，油田注水越来越受到重视。而注水井的安全运行及管理水平决定着油田的开发效果和寿命[1,2]。注水井的工作压力一般为14～27 MPa，长期的高压运行对闸门等井口设备的要求极高。此外，闸门的更换需要长时间的放压，操作难度大、危险系数高[3-6]。因此闸门的失效不仅影响了注水井的正常运转，同时也影响油田的生产效率。

1 失效概况

某油田注水井套管闸门公称压力为35 MPa，使用前地面试压34.8 MPa合格后进行安装，3日后对大四通及封井器试压30 MPa合格。但使用半年后该井套管右侧闸门突然喷出气体，当时井口套管压力约4 MPa。该闸门型号为PFK65-35型手动平板阀。发生事故时闸门为关闭状态，介质作用在阀片底部，工作过程中未出现过载情况。通过检查发现，闸门阀杆螺母(牌号：QAl9-4)断裂，丝杆和闸板被顶开，闸门失效。

2 试验与分析

2.1 宏观分析

失效闸门外观形貌如图1所示，阀杆断裂位置如图2所示，阀杆断口形貌如图3所示。

由图2可见，阀杆螺纹完整，未见异常变形，断口位于阀杆螺纹台肩处，断口平面与阀杆轴向垂直，部分断口面紧贴台肩。从图3可见，断口平齐且有金属光泽，未见明显塑性变形，具有脆性断裂特征。

图1 失效闸门宏观形貌

图2 阀杆断裂位置

图3 阀杆断口形貌

2.2 化学成分分析

在图2所示的阀杆螺纹部位取样，依据GB/T 5231—2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》标准对阀杆材料的化学成分进行检测，结果见表1。表1结果表明，阀杆的材料为Cu-Zn黄铜合金，其中Zn、Pb、Fe、Sn、Al、Ni的元素含量不符合GB/T 5231—2012要求，Pb、Zn、Sn元素含量分别超过标准要求91倍、40倍和 3倍以上，Al、Fe元素含量仅为标准最低值的2%和30%。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

2.3 夏比冲击试验

在图2所示的阀杆螺纹部位取样，采用PIT752D-2冲击试验机，依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准要求进行冲击性能试验，试验温度为20 ℃，试样尺寸为5 mm×10 mm×55 mm。经过试验，所取的3个冲击试样冲击吸收功分别为：1.5 J、1.7 J、1.6 J，平均值为1.6 J，该冲击试验结果表明，阀杆材料韧性差。

2.4 金相分析

在阀杆螺纹台肩处分别取编号为1#、2#、3#试样，其中1#、2#试样存在裂纹，3#试样无裂纹。依据GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2002标准，采用MeF3A金相显微镜及OLS 4100激光共聚焦显微镜进行金相分析，金相组织及晶粒度分析结果见表2。3个试样在抛光状态下均可见黑色点状相，呈明显的网状分布，并有灰色块状相在视场中较均匀地分布；1#试样抛光状态下相分布形貌如图4所示。1#和2#试样断口处有裂纹，周围组织未见变形，裂纹起源于外表面台肩根部，沿晶界扩展，如图5所示。

2.5 扫描电镜微观形貌分析

采用TESCAN VEGA 3型扫描电子显微镜对失效断口及冲击试样断口形貌进行微观分析，失效断口及冲击试样断口均呈冰糖块状形貌，具有明显的脆性断裂特征，如图6和图7所示。

表2 金相组织及晶粒度分析结果

图4 抛光状态相分布特征

图5 台肩处裂纹特征

图6 失效断口微观形貌

图7 冲击试样断口微观形貌

2.6 能谱分析

采用EDAX能谱分析仪对3#金相试样表面进行能谱分析，其表面各成分形貌如图8所示。在图8所示的表面分别选取白色和黑色两个位置进行能谱分析，如图9所示。经过能谱分析，其化学成分质量分数能谱图如图10和图11所示，能谱所分析的元素含量见表3和表4。以上能谱分析结果表明，沿晶界分布的点状物为铅，而均匀分布的黑色块状物质为铁。

图8 金相试样表面形貌

图9 能谱分析位置

图10 位置1物质能谱分析图

图11 位置2物质能谱分析图

元素质量分数/%Pb80.13Cu10.71Zn9.15合计100.00

表4 位置2物质能谱分析结果

3 分析与讨论

断裂失效闸门阀杆材料的化学成分分析结果不符合GB/T 5231—2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》标准对QA19-4(俗称94铜)材料牌号的要求。该失效阀杆材料属于Cu-Zn合金。阀杆材料室温夏比冲击结果吸收能平均值仅为1.6 J，该材料韧性差；阀杆材料金相组织为“β+富铁相”，晶粒度为1.5级，晶粒粗大。

失效闸门断裂部位为阀杆螺纹部位，宏观分析阀杆断裂于外表面台肩处，断口垂直于阀杆轴向，断口平齐，无塑性变形，断面有金属亮面光泽。扫描电子显微镜断口分析失效断口及冲击试样断口，微观形貌具有“冰糖块状”特征，说明阀杆断裂属沿晶脆性断裂。断口处裂纹均为沿晶断裂，也证明阀杆断裂属沿晶脆断。沿晶脆断产生的原因与阀杆材料质量有以下因果关系：

1)化学分析结果表明该阀门材料属“CuZn”合金，金相分析阀杆材料组织为“β+富铁相”，纯β相是以电子化合物CuZn为基的成分可变的固溶体，为体心立方晶格，纯β相的黄铜室温下韧性较差。

2)金相及电镜分析，阀杆材料中沿晶界分布的点状相中Pb含量质量分数高达80.13%，Pb在合金中以独立的游离相存在于晶界，Pb的这种存在方式可视为合金基体中产生了很多微小的空间，破坏了基体的连续性，使晶间结合力降低，晶界结合被削弱，产生晶界脆化倾向[7]。此外，Sn含量高出标准值34倍，Sn含量过高，合金中生成CuZnSn脆性电子化合物，亦可导致材料脆性增大[8,9]。

3)阀杆材料的晶粒度为1.5级，即晶粒平均尺寸仅为213 μm，晶粒粗大，相对强度较低。这是由于阀杆材料中Al含量仅为标准最低值的2%。肖翔鹏[10]等人的研究表明，Al不仅可以防止退火时晶粒过度长大，有效细化晶粒，还可形成坚固的抗蚀性氧化膜，提高合金强度。因此Al含量低，造成阀杆材料晶粒粗大。

断裂阀杆结构表明，断口位于壁厚差异较大的阀杆螺纹台肩处，闸门工作过程中，该台肩处存在应力集中，属阀杆的薄弱区，当阀杆材料不良、脆性较大、强度较低时，台肩处就会产生裂纹，根据断裂能量消耗最小原理，裂纹扩展路径总是沿着原子键结合力最薄弱的表面进行，阀杆螺纹台肩裂纹一旦产生便迅速沿晶界扩展，直至穿透壁厚，阀杆断裂，引起闸门失效。

4 结 论

1)该失效闸门材料为CuZn合金，Zn、Pb、Fe、Sn、Al、Ni元素不符合GB/T 5231—2012中对QAl9-4的要求。

2)闸门螺杆材料组织晶粒粗大、材料韧性差，阀杆材料质量不合格是造成断裂失效的主要原因。