采气树阀门腐蚀缺陷的检测探讨

采气树阀门腐蚀缺陷的检测探讨

摘要：采气树在气田开发中具有重要作用，目前井口采气树种类众多，生产

厂家参差不齐，阀门组件多种多样。采气树阀门的腐蚀及泄漏是各个油气田都要

面临的问题，特别是高温、高产、高酸性油气田，某些区块甚至由于井口装置腐

蚀导致井口失控、油气井报废等安全事故。阀门应用的安全及可靠性所面临的安

全挑战较大。当前，国内及国外均存在无成熟的采气树在线检测技术，所以，这

就需要分析采气树阀门腐蚀失效的因素分析，并开展在线检测，以对采气树阀门

缺陷进行消除，降低安全隐患发生率，确保油气井应用安全性的提升。

关键词：采气树阀门；腐蚀缺陷；检测

引言

采气树主要由大小四通和阀门组合而成，其中采气树阀门的腐蚀和泄漏是采

气树发生事故的主要原因，在“三高”油气田中井口装置的腐蚀甚至会引发区块

的功能性障碍，导致井口实效和油气井报废等安全事故。因此，有效评估采气树

腐蚀情况，减小事故发生对提高采气井口安全生产、预防安全事故至关重要。对

比各检测技术，依照前期试验相关研究结果，根据采气树阀门腐蚀特点，利用超

声相控阵检测的优势对采气树进行在线检测。

1采气树阀门失效原因分析

1.1阀门的主要失效模式

根据国内外资料及现场调研可知，阀门常见的失效模式为腐蚀、磨损及密封

件老化。针对克深区块，腐蚀主要是电化学腐蚀，磨损主要是冲蚀磨损、粘着磨损、腐蚀磨损，密封盘根老化、鼓泡、永久变形。上述失效模式主要造成以下两

种失效形势，一是闸板被刺坏或闸板被介质腐蚀等导致密封面失效而使阀门内漏；二是阀门的阀杆盘根密封处密封圈老化、阀盖与阀体连接处密封失效等导致的阀

门外漏。

1.2阀门失效的原因分析

众所周知，井口装置的腐蚀主要为化学腐蚀和硫化物应力腐蚀，由于克深气

田不含有硫化氢，造成腐蚀的因素主要为化学腐蚀。通过对现场采气树阀门调研

分析，发现闸板基板与表面喷焊层有明显的分界线，生产过程中，气流对此分界

线不断冲刷，导致表面喷焊层脱落，同时CO2分压溶解于金属表面的水膜中而形

成电解质液，最终造成阀门的电化学腐蚀损坏。采气树阀门是由执行机构驱动阀杆，阀杆带动阀板，实现闸板的上下运动，从而使阀门开和关克深区块气井井口

压力均在70MPa以上，采气树阀门关闭时，一端承受高压，另一端压力很低或无压，因而造成局部应力很高，将会产生严重的塑性变形并牢固地粘附，在相对运

动时产生切应力，因粘合部位材质等级较低，零件表面形成了粗糙凹坑；其次，

在阀门开关过程中，高速流体冲蚀闸板、阀座，使这些零件工作表面产生了宏观

上顺着气流方向的蚀槽、深沟。采气树配件中密封盘根较为薄弱，为易损件。由

于盘根与阀杆的相对运动产生磨损，环境温度变化引起老化，加之盘根处在高应

力条件下工作，极易引起盘根失效。密封盘根的老化主要是因为使用时间较长，

温度较高所致。由于温度变化，使本来处于高应力下的盘根产生了附加温度应力，使其疲劳，加速老化，低温使其弹性恢复差，产生裂纹并变脆，形成永久变形。

通过对采气树阀门失效的研究和分析，确定了以阀板与阀座密封面腐蚀、磨损及

阀杆盘根密封失效机理为问题导向，进行研究，从优选耐磨硬质合金喷涂工艺，

阀板、阀座材质及非金属密封材料优化升级三个方面开展研究工作。

2检测试验及现场应用

2.1检测技术的选择

采气树阀门检测指的是在范场拆维修时开展的静态无损检测及厚度测定，本

体之中，内部裂纹缺陷、腐蚀缺陷及应力集中危险区缺陷在常规无损检测形式下

不易被察觉，若是无法进行装置在线状态检测，也就无法对缺陷隐患问题或者已

经存在的缺陷进行检测。所以常规无损检测形式开展井口装置评估中，辅助效用

显著。当前，先进的检测技术在行业内不断被引进，以此开展采气树在线检测研究，内容涵盖超声波相控阵、金属磁记忆和声发射等。超声波相控阵技术应用中，其具有较高的信噪比，聚焦过程动态化，可进行腐蚀缺陷成像，但是其制作工艺

复杂程度较高；金属磁记忆应用中，可集中检测应力，彰显金属微观缺陷，可进

行早期损伤和失效的检测，但是及定量的精度差比较差；声发射中，应用优势为

动态缺陷可被发现，主要针对裂纹类缺陷开展，但是其具有十分敏感的环境噪声。由此可见，对阀门通道缺陷机械能检验中，可通过超声波相控阵检测技术进行干预。

2.2检测试验

（1）阀门通道腐蚀成像检验。其为壁厚度在25mm的阀门内壁位置中进行缺

陷尺寸的预制，其中直径与深度的比值分别为6m m×5mm、12mm×5mm及

15mm×5mm，这些参数均为平底圆孔。依据扫描的图谱宽度显示，其为通道的实

际表面的周长，通道的扫描长度为高度，依靠定量软件进行分析，对缺陷1尺寸

进行明确，其5.96mm×5.24mm为直径×深度的数值，对缺陷2尺寸进行明确，

其11.46mm×4.88mm为直径×深度的数值，对缺陷3尺寸进行明确，其

14.75mm×5.12mm为直径×深度的数值，综合分析研究精度的影响状况，说明实

际状况与监测结果之间吻合度较高。（2）阀门本体腐蚀成像检测。采气树阀门

本体标注的A面壁厚进行研究，发现其厚度为55mm，这一部件内部的预制尺寸

5mm×9mm为直径×深度，其为平底孔缺陷，其中10mm×10mm×10mm为长×宽×

深的曲面刻槽缺陷，其中19mm×19mm×11mm为长×宽×深的曲面刻槽缺陷。A面

超声波相控阵扫查图谱中，曲面刻槽为其对应位置。由于这一位置的曲面会产生

散射入射波效用，探头并不能对反射波进行接受，依靠软件对其分析研究，其中

缺陷1的4.96mm×8.19为其直径×深度，缺陷2的9.43mm×9.67mm×10.24mm

为其长×宽×深，缺陷3的19.42mm×19.23mm×9.85m m为其长×宽×深，曲面

刻槽的最小剩余壁厚数值为51.83mm，其实际情况与检测结果相符合。其在距离

法兰端面位置2mm部位，进行2mm的圆形直径人工缺陷的加工，其数量为4个，

其中1mm为1号缺陷的深度，2mm为2号缺陷的深度，3mm为3号缺陷的深度，

4mm为4号缺陷的深度。应用超声波相控阵斜声速覆盖形式，对这一位置阀门法

兰密封面开展扫查干预。1号人工缺陷具有模糊的成像特征，其识别难度较高，

可清晰的对人工缺陷2、3、4号进行鉴别。

2.3检测应用