70MPa防硫化氢旋塞阀的研究

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石 油 机 械
2005年 第 33卷 第 5期
程采用锻 2正火 2粗加工 2热处理 (淬火 +回火 ) 2喷 丸 2超声波无损检测 2精加工 2表面磁粉探伤 。毛坯采 用 130 mm /30CrMoA 的原料整体锻造成型 。粗加 工完成后进行调质热处理 (淬火 +高温回火 ) , 淬 火温度控制在 880 ℃, 淬火介质为柴油 , 回火温度 为 600 ℃, 保温时间为 2～3 h, 然后用水急冷 , 产 品硬度控制在 19～22 HRC ( 210～235 HB ) , 然后 对毛坯进行喷丸处理 , 一是去掉氧化皮 ; 二是消除 热处理产生的应力 , 在外表面产生一定压应力 ; 三 是强化表面 。最后进行无损检测和精加工 。所有外 观和内部过渡或拐角处均采用不低于 R5 圆弧过 渡 , 避免由于尖角应力集中造成 H2 S应力腐蚀 。
898 720 15
48
35
23 230
000205 795 655 15
43
31
20 204
872 693 16
47
33
23 234
796 636 15
43
30
20 205Leabharlann 000502 891 732 17
49
35
24 210
887 715 18
50
34
24 230
891 707 17
48
33
23 235
硫化氢对非金属的影响及选材
旋塞阀旋塞与弧片之间靠金属与金属硬密封 , 其余部分都是橡胶件密封 , 因此橡胶的抗硫化氢腐 蚀能力就显得非常重要 , 它决定旋塞阀的使用性能 和寿命 。防 H2 S旋塞阀橡胶密封件国内外同行大 都使用氟橡胶 , 氟橡胶有一定的抗 H2 S腐蚀性能 , 但氟橡 胶 低 温 性 能 、耐 突 然 降 压 性 能 、耐 高 压 ( “挤压 ”) 变形性能很差 。根据文献 [ 6 ] 介绍 : 高饱和丁腈橡胶 (HNBR ) 在硫化氢等介质中的综
硫化氢对金属的腐蚀机理及选材
11硫化氢对金属的腐蚀 [ 1, 2 ] H2 S对 金 属 的 腐 蚀 主 要 为 硫 化 氢 应 力 腐 蚀 ( SSC) 和氢诱导开裂 ( H IC) , 其破坏敏感度是随 H2 S浓度增加而增加 , 在饱和湿 H2 S中达最大值 。 一般来说 , 金属材料强度越高对 H2 S腐蚀的敏感 性越大 。 从材料化学成分和非金属夹杂物方面来说 , 钢 中影响硫化氢腐蚀的主要化学元素是碳 、钼 、锰和 硫及夹杂物 。化学成分中 , 锰元素含量增加 , H IC 开裂长度率增加 。硫元素能促进 H IC 发生 , 是极 有害元素 , 另外它与 M n生成 M nS、 FeS等非金属
图 2 旋塞阀受内压时受力状况
4413 mm , 额定工作压力为 70 M Pa, 截面应力 σt 为 14119 M Pa。材料 30C rMoA 的 许用 应力 为 286 M Pa, 设计安全系数按照 AP I 6A 相关规定 , 一般 取 115, 此处取 n = 215。σt < [σ ]t , 强度足够 。
强 度 校 核
从旋塞阀受内压时受力状况分析 , 如图 2所示 D 处阀体截面壁厚最薄 , 外圆直径 7213 mm , 内径
试验结果及分析
5018 mm ×70 M Pa旋塞阀于 2002年完成设计 , 2003年在第四石油机械厂完成加工 。为了验证旋 塞阀实际使用情况 , 2004 年委托国家油气田井口 设备质量监督检验中心进行了型式试验 , 结果满足 相关标准要求 。 2004 年 2 月委托中石油技术服务 有限责任公司进行了工业试验 , 试验结果除了易损 件橡胶密封件正常失效外 , 未发现其他异常情况 。
图 1 防硫化氢旋塞阀装配示意图 1—阀体 ; 2—旋塞帽 ; 3—压盖 ; 4—旋塞 ; 5—密封弧片 ; 6 —方形密封圈 ; 7 —翼形螺母 ; 8 —O形密封圈及支承环
阀体是旋塞阀中的关键件 , 阀体的安全性 、可 靠性直接决定整个产品安全性 、可靠性 , 阀体一旦 失效或损坏 , 可能危及人身 、设备安全 。笔者重点 介绍旋塞阀阀体工艺流程和设计计算 。阀体工艺流
托上海宝山钢铁股份有限公司技术中心产品研究所
作了恒载荷 H2 S应力腐蚀试验和氢诱导开裂试验 (H IC) 。H IC试验溶液参照标准 NACE Standard TM
0284—96标准 A 溶液 , 试样规格为 5 mm ×20 mm
×100 mm , 试验时间为 96 h, 试验结果 CLR %、
夹杂物 , 致使局部显微组织疏松 , 在湿硫化氢环境 下诱发 H IC。Mo 元素能降低相变温度 , 抑制块状 铁素体的形成 , 促进针状铁素体的转变 , 因而 Mo 在提高钢的强度的同时可以降低韧脆转变温度 , 提 高钢的抗 H IC 能力 。碳的质量分数增加 , 硫化氢 腐蚀敏感性增加 。在满足钢材的力学性能条件下 , 应尽可能降低钢中碳的质量分数 。
000805 880 741 18
49
35
25 230
799 638 15
42
29
20 245
863 672 16
46
33
22 235
000005 873 705 17
45
34
23 222
892 730 16
42
32
22 231
从表 1得知 , 材料力学性能完全满足相关标准
要求 [ 5 ] 。
为了验证 30CrMoA 的防硫化氢性能 , 笔者委
参 考 文 献
1 尹成先 , 兰新哲 , 刘 伟等 1高强度天然气输送管抗氢 致开裂试验研究 1论文 , 2002
2 MR0175—971油田设备用抗硫化物应力开裂的金属材料 1 3 潘家祯 1压力容器材料实用手册 ———碳钢及合金钢 1北
京 : 化学工业出版社 , 2000 4 左 景 伊 , 左 禹 1 腐 蚀 数 据 与 选 材 手 册 (第 二
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石 油 机 械
CH INA PETROLEUM MACH INERY
2005年 第 33卷 第 5期
70 MPa防硫化氢旋塞阀的研究
熊海斌 1, 2 华北庄 1 张居丽 2 王向旗 2 官 旭 2 李 俊 2 李新年 2
(11长江大学机械工程学院 21第四石油机械厂 )
21选材 [ 3, 4 ] 国内同 行 对 防 硫 化 氢 旋 塞 阀 的 材 质 均 采 用 35C rMo钢 。 35C rMo 中碳的质量分数为 0132% ～ 014% , 相 对 比 较 高 , S、 P 的 质 量 分 数 分 别 为 01019%、01021% , 夹杂物含量较高 , 对 H2 S的腐 蚀敏感性较大 。热处理硬度为 26 HRC 左右 , 硬 度 、强 度 相 对 比 较 高 , 易 诱 发 H IC 失 效 。用 35C rMo材料制造的旋塞阀在 H2 S环境使用一段时 间后 , 很快失效 。经过分析及相关试验 , 失效主要 是由于材料中 C、 S、 P的质量分数较高 , 热处理 硬度较高 , 非金属夹杂物的质量分数偏高 。因此 , 从使用性和经济性上综合权衡 , 选用 30CrMoA 作 为旋塞阀的主要制造材料 , 30C rMoA 与 35C rMo相 比 C的质量分数相对比较低 , S、 P等杂质质量分 数少 (塑性夹杂物为 1 级 、脆性夹杂物为 1 级 ) 。 经过调质热处理 , 硬度控制在 19 ～22 HRC, 其防 H2 S效果比 35C rMo好 。 为了验证 30CrMoA 热处理后的力学性能 , 产 品淬火及高温回火 (调质 ) 后 , 由破坏产品取样 做力学性能分析 , 结果见表 1。
0175—97标准要求
σ th
≥0145σs
的要求
)
。试验规
格为 614 mm。试验周期为 720 h。试验结果为试
验时间内试样未断裂 , 满足 MR0175—97标准 。因
此 30CrMoA 完全能够满足在硫化氢介质中的使用
要求 。
合物理性能优于丁腈橡胶 (NBR ) 和氟橡胶 。在 高温高压下 , 丁腈橡胶和氟橡胶在硫化氢 、二氧化 碳 、甲烷 、柴油 、蒸汽和酸等的作用下鼓泡胀大 、 失去弹性 , 很快老化破坏 , 而高饱和丁腈橡胶在上 述介质中的综合性能优于丁腈橡胶和氟橡胶 。根据 相关 试 验 : ①试 验 介 质 为 20% H2 S、 60% CH4 、 15% CO2 , 试 验 条 件 为 7 d, 150 ℃, 压 力 为 10 M Pa。HNBR 的 抗 拉 强 度 为 24 M Pa、伸 长 率 为 240% , 基本保持不变 , 而氟橡胶的抗拉强度下降 为 13 M Pa, 伸长率下降为 180%。 ②试验介质为 97% CH4 、 3% CO2 和 少 量 的 水 , 试 验 条 件 为 150 ℃、压力为 10 M Pa。突然降压 。HNBR 橡胶起泡 少 , 抗拉强度和伸长率保持良好 , 而氟橡胶 、丁晴 橡胶的抗拉强度分别下降 40%和 55%。 ③试验压 力分别为 54、 72、 90 和 108 M Pa, HNBR 在 108 M Pa条件下变形度不超过 10% , 而氟橡胶变形则 超过 50%。因此 , HNBR 的的综合性能超过氟橡 胶等橡胶 , 满足在硫化氢介质下使用的要求 。
册 ) ———金属腐蚀与控制 1 北京 : 化学工业出版社 , 1995 5 石油工业标准化技术委员会 CPSC编写组 1井口装置和 采油树规范 1北京 : 石油工业出版社 , 2002 6 谢遂志 , 刘登祥 , 周鹏峦 1橡胶工业手册 (第一分册 ) 生胶与骨架材料 1北京 : 化学工业出版社 , 1982
2005年 第 33卷 第 5期
熊海斌等 : 70 M Pa防硫化氢旋塞阀的研究
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