某海上平台4130钢注水泵泵体开裂失效分析

杨中娜 赵杰瑛 孟 强 夏明磊 金 磊 杨 阳

1. 中海油(天津)管道工程技术有限公司, 天津 300452;2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 广东 湛江 524000

0 前言

油田注水是国内外油田提高采收率的主要方法,油田注水可弥补原油采出后造成的地下亏空,保持和提高地层压力,实现油田高产稳产[1-3]。注水泵是油田注水生产系统的动力之源,一旦失效,不但会给生产、人身安全造成巨大威胁,还会因停产、维修或换新造成较大的经济损失[4-6]。目前,腐蚀疲劳失效逐渐引起业界重视,目前国内外主要通过宏观分析、XRD腐蚀产物分析、扫描电镜微观断口分析和能谱分析、裂纹处金相分析、应力计算等方式对腐蚀疲劳失效事故开展分析,本文结合常用的分析手段对失效注水泵展开分析,同时采用ANSYS有限元分析软件的结构分析模块对注水泵工作过程进行数值模拟,评估、验证失效原因和机理。

某海上平台注水系统进口3台往复式柱塞泵进行注水,记为注水泵A(A泵),注水泵B(B泵),注水泵C(C泵),泵体原材料为4130钢,整体锻造而成,热处理工艺不详,产品标准执行API STD 674 Positive displacement pumps-reciprocating(以下简称API 674)。A泵在累计运行3个月后发生渗漏,B泵、C泵也发生了不同程度的开裂,且3台泵的裂纹均出现在泵体顶部或者底部。为查找注水泵开裂原因,本文采用宏观形貌分析、无损检测、解剖分析、微观分析(XRD & EDS)、腐蚀产物分析(SEM)、理化性能分析及有限元分析等技术手段,对最先渗漏的A泵进行失效分析,从而查找材料、工艺、操作或管理上的缺陷,对预防类似事故再次发生具有非常重要的意义。

1 试验及结果

本文采用Super Check渗透探伤剂对注水泵泵体进行渗透探伤,采用德国SPECTRO Lab 11型直读光谱仪和CS-600红外碳硫仪进行化学成分分析,采用德国Zwick PSW750型摆锤冲击试验机进行冲击试验,采用德国Zwick Z600型万能试验机进行拉伸试验,采用美国Wilson Tukon 2500型全自动维氏硬度计进行维氏硬度测试,采用德国Zeiss Observer A1m金相倒置显微镜进行金相分析,采用日本Rigaku Smartlab(9 kW)型X射线衍射仪进行腐蚀产物分析,采用德国Zeiss EVO 18型扫描电镜进行微观形貌及能谱分析。

1.1 宏观分析

失效泵体A泵内表面腐蚀较严重,存在大面积点蚀坑,失效泵体照片见图1；底部裂纹轴向贯穿内孔,径向贯穿密封面,裂纹较直,局部位置已扩展至螺栓孔的位置,见图2。对A泵泵体进行着色渗透探伤,发现1#、3#缸内孔6点钟方向存在裂纹,4#、5#缸在6点钟和12点钟方向附近存在贯穿壁厚的裂纹,渗透检测情况见图3。

图1 失效泵体照片Fig.1 Photo of failure pump

图2 泵体裂纹照片Fig.2 Photo of crack of pump body

图3 渗透检测照片Fig.3 Photo of penetrant inspection

1.2 解剖分析

采用线切割机床对A泵泵体3#、4#、5#缸的12点钟、3点钟、6点钟、9点钟4个方向分别进行解剖分析,可见12点钟、6点钟方向的裂纹均起源于缸体水平内孔和垂直内孔交汇处,并向水平和垂直方向扩展,缸体表面附着黄褐色腐蚀产物，4#缸6点钟位置裂纹形貌见图4。

图4 4#缸6点钟位置裂纹形貌照片Fig.4 Photo of crack appearance at 6 o’clock location on cylinder 4#

截取水平内孔的横截面试样,可见表面存在多处微小腐蚀坑,且腐蚀坑底部均有微裂纹萌生,最深约1 mm。有一条从外部延伸至该横截面的一条主裂纹,贯穿横纵两个方向,该裂纹的起源同样位于内孔交汇处,且有明显的腐蚀坑存在,说明裂纹起源于腐蚀坑底部,见图5。因此,推测该注水泵的开裂跟腐蚀有关。

a)腐蚀坑底部裂纹a)Crack at the bottom of corrosion pit

b)主裂纹及起裂点b)Main crack and crack initiation point

3点钟、9点钟方向试样见图6,内壁表面发生了轻微腐蚀,局部位置存在蜂窝状腐蚀坑,表面及横截面未见明显裂纹,该位置处于结构突变处,局部区域流速大,推测为气蚀所致。

图6 3点钟、9点钟方向内壁形貌照片Fig.6 Photo of inner appearance wall at 3 o’clockand 9 o’clock location

1.3 微观及能谱分析

对裂纹微观形貌及微区成分进行分析。观察图4主裂纹末端及图5a)腐蚀坑底部裂纹形貌,可见裂纹较直且内部均充满了腐蚀产物,见图7。对图4主裂纹末端基体及裂纹内部的腐蚀产物进行能谱分析,见表1,可知腐蚀产物主要为Fe、O、C和少量Cl元素等,主要为基体、铁的氧化物和来自海水的Cl元素,Cl-是引起点蚀的主要因素[7-9]。

图7 腐蚀坑底部的裂纹微观形貌图Fig.7 Micro-appearance of the crack at the bottom of corrosion pit

表1 主裂纹末端EDS元素分析结果表

使用切割机将图4裂纹源附近切开,形成两个断口,将断口清洗后进行观察,断口平直,无明显塑性变形,为典型的脆性开裂,断口腐蚀较严重,表面已全部由腐蚀产物覆盖,见图8,微区化学成分显示主要为Fe、O、C。

图8 断口表面腐蚀产物形貌图Fig.8 Micro-appearance of corrosion product on fracture surface

1.4 腐蚀产物XRD分析

收集内孔表面腐蚀产物、裂纹附近的块状腐蚀产物及粉末状腐蚀产物,分别记为F1#、F2#、F3#。试样经酒精清洗后,通过X射线衍射仪对腐蚀产物进行物相鉴定,扫描角度2θ:3°～80°,采样步宽为0.02,波长λ=1.541 nm,测试结果见图9,物相分析结果见表2。腐蚀产物中Fe2O3、Fe3O4主要为铁的氧化物,FeOOH为中间产物,Fe3C为碳钢被腐蚀后残留的金属基体,说明注水泵内表面主要发生氧腐蚀[10-11]。

图9 XRD测试数据及标准卡片对比图Fig.9 Comparison of XRD test data and standard card

表2 XRD物相分析结果表

1.5 化学成分分析

对3#、4#、5#缸缸体化学成分进行分析,检测标准为ASTM A751—14 a Standard Test Methods,Practices,and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products,检测结果见表3,可见C元素含量偏高,超出标准要求,提高碳含量可升高钢的强度,但Fe3C数量会增多,耐蚀性明显现下降[12-13]。

表3 化学成分表

1.6 金相分析

为排除因泵体锻件在生产或热处理阶段造成的表面或内部缺陷,采用金相倒置显微镜对组织、夹杂物、脱碳层等进行分析。检测标准为GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》、GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》。

金相分析结果显示,3个缸体横截面试样的表面及中心组织均为回火索氏体,属典型的调质组织,晶粒度10级,表面无脱碳,未发现异常组织和非金属夹杂物,宏观低倍检验未发现缺陷,见图10。裂纹附近组织为回火索氏体,未见明显脱碳现象,说明裂纹是在锻件热处理之后形成的。裂纹内部存在较多腐蚀产物,主裂纹末端和微裂纹均较直,裂纹主要呈穿晶型,见图11。

图10 金相组织图Fig.10 Metallographic structure

图11 裂纹末端形貌图Fig.11 Features of crack tip

2 分析与讨论

根据引进的3台往复式注水泵工作原理可知,失效泵是一种容积泵,通过借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的,分为吸入和排出行程。吸入行程:工作容积增加,缸内压力下降,吸入阀打开,排出阀关闭,液体从填料涵一侧进入缸内。排出行程:工作容积减少,缸内压力增加,吸入阀关闭,排出阀打开,液体从填料涵一侧排出泵缸,因此注水泵泵体内壁受到反复的交变应力作用。每个缸体之间不连通,只与上下出入口、填料涵一侧相连通。

根据现场工况可知,A泵操作压力为11～18 MPa,操作温度约30 ℃,总流量约1 000～1 600 m3/d,运行速度为190 r/min,内部注入水主要为纳滤海水(V30大于7.0 L,含氧小于0.50 μg/L,含铁小于0.2 mg/L)。

根据理化分析结果可知,注水泵泵体碳含量超出API 674标准中对4130钢的技术要求,材质不合格。根据金相分析可知泵体基体和裂纹附近未发现明显缺陷组织、夹杂物、脱碳现象,因此,可以排除热处理产生的开裂。

根据腐蚀产物分析推测注水泵内表面主要发生氧腐蚀,这是因为海水中存在一定量的溶解氧,氧作为去极化剂[14],获得电子,被还原成OH-,OH-与Fe反应形成腐蚀沉淀,并被溶解氧氧化成铁锈,Fe2+与海水中的Cl-反应生成可溶于水的FeCl2,与介质或阴极区的OH-反应生成“褐锈”Fe(OH)2,与溶液中的水和氧很快又转化为其他形式的铁锈(如Fe2O3)和Fe(OH)3,Fe(OH)3失水就形成水合氧化物FeOOH[15]。另一方面,海水中Cl-含量较高,水溶液导电性较强,电解质的电阻低,Cl-易达到金属表面,加快局部点蚀。基体与腐蚀产物膜界面处的双层结构容易优先吸附Cl-,使得界面处浓度升高。Cl-在部分区域会积聚成核,导致该区域阳极溶解加速,金属基体会向深处腐蚀,形成点蚀坑阳极金属溶解,加速腐蚀进程,这就是Cl-对局部腐蚀的催化作用[16-17],也是注水泵内表面出现大量点蚀坑的主要因素。

阳极反应:

(1)

(2)

(3)

(4)

阴极反应:

(5)

Cl-阳极去极化作用:

(6)

(7)

通过宏观形貌分析可知,注水泵缸体内孔表面腐蚀较严重,存在大面积微小点蚀坑,缸体的3点钟、9点钟方向未见明显裂纹;开裂主要集中在缸体6点钟和12点钟方向,起裂位置位于水平内孔与垂直内孔交汇处,并向水平和垂直两个方向扩展延伸。通过横截面试样可见裂纹均萌生于腐蚀坑底部,说明注水泵开裂与腐蚀有关。

对注水泵泵体在水平和垂直内孔交汇处的腐蚀坑底最先起裂原因进行进一步分析,海水介质在泵的吸入和排出过程中产生加速和减速运动,造成缸体内壁持续受到从0到18 MPa的压力变动,也就是说缸体内壁受到了循环的交变载荷作用。而缸体内孔交汇处的6点钟和12点钟方向刚好是缸体结构发生突变(接近90°)的地方,推测可能跟此处所受应力有关系。于是,采用ANSYS 15.0有限元分析软件对注水泵内表面的应力分布情况进行模拟计算。

注水泵在运行过程中进、出水流程相似,因此,建立1/2对称模型计算泵体内壁应力分布情况,网格划分见图12。为分析点蚀坑对应力的影响,在6点钟方向预制了一个直径为1 mm的圆形坑,见图12箭头所示,缸体内壁施加压力载荷18 MPa。计算结果见图13,可见内壁3点钟方向应力最小,而内孔交界线上6点钟及12点钟方向应力较大,达70 MPa,约为压力载荷的3.9倍。应力最大点位于6点钟方向预制的1 mm凹坑底部,高达100 MPa,约为腔体压力载荷的5.5倍。研究成果显示内孔相交造成的应力集中可使局部应力高出若干倍,这将促进腐蚀坑底的裂纹萌生和长大[18-20]。由此可见,内孔交汇处存在严重的应力集中,在腐蚀坑缺陷存在的情况下,将进一步加剧应力集中现象,从而促进裂纹的萌生与扩展。因此,根据以上论据推断注水泵泵体是在受到腐蚀介质和交变载荷的联合作用下产生的腐蚀疲劳开裂。

图12 对称模型图Fig.12 Symmetric model

图13 内孔处应力分析结果图Fig.13 Stress analysis results at inner bore

3 结论与建议

3.1 结论

1) 注水泵碳元素超出API 674标准的要求,材质不合格。

2) 注水泵内表面多处存在点蚀坑,在海水介质中的耐蚀性较差。

3) 注水泵泵体是在腐蚀介质和交变载荷的联合作用下造成的腐蚀疲劳开裂。

3.2 建议

1)应加强注水泵生产质量控制,确保选用合格的泵体原材料。

2)注水泵泵体内表面在机加工过程中,应保证表面粗糙度要求,内孔交汇处应倒圆角,避免出现尖锐的棱角。

3)应对注入海水进行充分脱氧,注水泵在调试或停用期间,避免长时间接触空气,做好注水泵维护保养工作。

4)建议根据现场工况及内部介质特点,采用耐蚀性能更好的泵体原材料。

5)泵体内孔十字交汇处的圆角结构特点,会导致该处应力集中最大,在设计阶段,对泵体壁厚和强度校核时,应综合考虑缸体形状、载荷状况、机加工精度、材料均匀性及对应力集中的敏感性等因素,合理选用许用应力值。