摘要：由于硫化氢的强烈腐蚀作用，要求开采含硫油气田的设备和材料必须具有良好的抗硫化氢腐蚀性能。为此，对川西含硫油气田在用的铸造井口阀门进行了拆检研究，拆检的零件包括手轮、阀杆铜螺母、轴承座、推力球轴承、填料压盖、填料环和密封圈、阀杆、阀盖、阀板、阀体、螺栓和螺母等。拆检结果表明，井口阀门中的某些零件存在结构设计不合理和材料选择不当等问题，因而降低了井口阀门的抗硫化氢腐蚀能力。针对阀门零件存在的问题，进行了初步研究，并提出若干改进意见。
主题词：井口装置 阀门 抗腐蚀性 检查
随着我国国民经济的迅速发展，国内对能源的需求量急剧上升，作为重要能源之一的石油，供需矛盾日渐突出。显然，加快开发高含硫油气田的全套技术,是中国石油天然气集团公司一项有远见的战略措施，不但十分必要，而且是当务之急。在含硫油气田开采中, 由于硫化氢的强烈腐蚀作用, 就要求设备及材料能够满足抗硫化氢腐蚀条件。为此，我们对消耗量相当大的川西含硫油气田铸造井口阀门进行了拆检研究(共拆检两只阀门)。
拆检前的外观检查
1号阀门的检查情况: 阀体、阀盖、轴承座外表面漆层大部分脱落； 阀体的两端及阀盖有明显的锈蚀；轴承座有部分锈蚀；阀杆顶部光亮无蚀；轴承座开孔处有黑色沉积物。
2号阀门的检查情况: 阀体、阀盖漆层部分脱落；两端法兰漆层脱落处有明显的锈蚀；轴承底漆大部分脱落，并有少量的红色锈物；阀杆顶部光亮无蚀，中间部位有黑色沉积物。
拆检结果分析及建议
由于研究经费有限，本次拆检的井口阀门数量有限。送检的阀门属于早期生产的产品，但从腐蚀程度评估，这些阀门的服役时间较短。这里，笔者提出的只是一些初步的看法，要获得更准确可靠的结论，仍有待于对大批量阀门的普查与研究。
1.手轮
手轮是启闭阀板的零件，为铸钢件，拆检情况良好，但其配合件青铜螺母配合表面有大量擦伤拉毛现象，手轮设计有待于改进。分析认为，当装配手轮时，如果手轮内孔有毛刺或碰伤，装配不进时，现场工人可能会强行装配，从而将铜螺母拉毛。建议将手轮内孔设计为内锥孔，铜螺母配合面为外锥面，以便于拆卸和装配。
2.阀杆铜螺母
拆检发现，阀杆铜螺母的梯形螺纹完好，只有与手轮配合的外表面及键槽处被严重拉毛，造成装配困难。直观的感觉是铜螺母太长，若经强度校核后，铜螺母长度可以缩短，则不仅可节省铜的用量，也可减少相应的阀杆材料用量。
阀门采用这种铜螺母的优点是:(1)便于拆卸；(2)与硫化氢介质隔离。缺点是由于铜材外露，易受到人为破坏，从而有可能导致重大事故。设计时应考虑对人为破环因素的防范。根据美国抗硫阀门的技术规范MR―01―75的规定， 抗硫铜合金只允许使用铝青铜。但这种阀的设计，实际上已将硫化氢基本密封在阀内，阀杆处铜螺母是否允许采用其它非抗硫材料，有待进一步讨论。
3.轴承座
拆检发现，轴承座下腔有少量黑色腐蚀产物，可能与微量硫化氢的渗漏有关，其它部位(尤其是内螺纹)完好，无腐蚀。轴承座用骑马螺钉进行轴承定位，不利于推力球轴承间隙的调节。在高腐蚀性气体条件下，骑马螺钉易锈死，造成拆卸困难。建议设计时对这一结构予以改进。
4.推力球轴承
拆检下来的推力球轴承有不同程度的锈蚀。该处实际上与硫化氢介质是隔离的，但从结构设计来看，铜螺母上只有下密封圈而没有上密封圈，由于大气中腐蚀性潮气及昼夜温差，在钢表面的结霜及附着的露水，极有可能从调节螺母与铜螺母之间的间隙处进入轴承腔，引起轴承各零件锈蚀，而且阀杆的取向位置不同(垂直或平行于地面)，轴承锈蚀程度就有所不同。因此在结构设计时，应考虑推力球轴承的密封问题。
5.填料压盖
填料压盖锈蚀较严重。压盖用于调节填料的密封，尤其在有微量硫化氢渗漏时，要予以调节拧紧。若压盖锈死， 则填料将不能起调节密封作用，这将严重影响阀门的工作性能。建议压盖改用耐蚀性较好的不锈钢制造。
6.填料环和密封圈
拆卸两阀门时发现，在阀杆处有5只聚四氟乙烯填料环。一只阀门的阀盖处有一只橡胶密封圈已变形，而另一只阀门阀盖处的聚四氟乙烯密封圈基本完好。另外，在阀杆螺母处有一只小的橡胶密封圈基本完好。总的来看，聚四氟乙烯填料环和密封圈均未损伤，抗硫化氢性能良好，而橡胶密封圈则老化、变形。建议在抗硫化氢阀门的弹性密封处采用聚四氟乙烯或较稳定的氟橡胶作密封材料。
7.阀杆
拆卸下的阀杆完好，仅光杆面上有少量锈蚀和点蚀,考虑阀门在强腐蚀性硫化氢介质条件下工作多年，可认为阀杆材料是基本合格的。笔者认为，阀杆各部分工作应力大小极不匹配；工作槽槽根加工为锐角，易引起应力集中，从而诱发高应力腐蚀条件下的硫化氢应力腐蚀破坏。为此，建议对阀杆设计进行强度校核。另外，梯形螺纹的根角半径是取标准值还是考虑应力腐蚀因子而加大根角半径，是设计时应注意的问题。
阀杆是阀门重要的受力件，也是易发生应力腐蚀断裂而使阀门失效的零件。在阀杆设计中，应当在材料选择、加工制造、热处理及结构设计等方面制订出详尽的技术规范。
8.阀盖
拆卸下的阀盖除锈蚀外，基本完好。据四川石油管理局勘察设计研究院的拆检报告，阀盖材料为45号钢，硬度为202～304HB，超过标准规定的187～225HB。其主要的化学成分C,Mn,Si,P,S含量合格，有害元素含量低。阀盖是接触硫化氢介质的重要零件之一， 建议改用锻件制造。有下列几点值得注意。
(1)阀盖内腔所有台阶处圆角都很小，是机械设计规定的自然圆角。考虑到阀盖是在硫化氢腐蚀性介质中承受高应力的元件，由机械加工形成的尖角处很容易产生应力集中及随后发生的应力腐蚀开裂，建议阀盖设计时充分加大所有的圆角过渡半径。这一原则应贯彻到所有抗硫设备元件的设计中。阀盖最小壁厚处的强度也应进行校核，与阀体相匹配。
(2)若阀盖热处理硬度过高，将导致钢材在H2S介质中受硫化氢应力腐蚀破环而早期失效。这次拆检阀门的阀盖最高硬度达304HB(相当于33HRC)，对硫化氢介质下工作的压力容器来说是危险的。造成这种硬度超标的原因可能与淬火后回火温度不足有关，建议采用特制的硬度锉或硬度针做现场普查。若在用的阀盖及阀体硬度超标，应尽早更换，以防万一。
(3)阀盖材料的含碳量似乎偏高， 对于抗硫化氢阀门的阀盖，建议用含碳量较低的低合金钢制造(如用20CrMo或含碳量更低的低合金钢CrMo代替现行的45号钢)。同时热处理保证其硬度≤22HRC和夏比冲击韧性≥70J。
9.阀板
拆卸下的阀板整体腐蚀严重，但阀板密封面堆焊层状态良好。阀板的T形槽根部为尖角过渡，易引起应力集中，这是导致阀板损坏的主要原因之一。建议将T形槽根部改成圆角过渡，或设计成弧形T形槽。阀板是在高腐蚀性介质下的活动零件，显然，阀板大面积腐蚀将诱发种种阀门故障(如气体泄漏等)。 建议采用耐蚀性较高的钢材制造。
10.阀体
拆卸下的阀体除内腔均匀腐蚀和外部脱漆锈蚀外，基本结构完好。但研究认为，此阀体不宜为抗硫化氢阀门所采用。
阀体的法兰盘过厚且厚薄不均，热处理时会引起附加的淬火内应力，从而导致淬火裂纹。建议对法兰盘厚度作强度校核。法兰盘连接为8个M25螺栓，按阀门允许的最大工作压力25MPa和阀体通孔直径65mm估算，法兰可能承受的最大轴向载荷为81.4kN，每个螺栓以净截面积314mm2计算，其最大拉应力仅为33MPa，不到JB4294.1―86标准中规定的螺栓最小屈服强度的1/15，这说明现有阀门结构的设计不合理。使用中大多数螺栓断裂并不是由于工作应力太大，超过螺栓屈服强度引起的，相反，主要是在硫化氢介质条件下，螺栓屈服强度过大，对硫化氢非常敏感，最终由硫化氢应力腐蚀破坏引起的。设计部门对此应有足够的认识，不应一味追求钢的高强度和螺栓的大直径。
11.螺栓和螺母
由于阀门均未带法兰连接螺栓，故拆检中未涉及。从管理的角度考虑，为防止螺栓锈死,现场对螺栓、螺母的定期涂漆或涂油防锈是有效的补充措施。另一种解决方案是对螺栓、螺母进行表面镀镍,可大大便利现场工人的维修和管理。
螺栓和螺母是阀门中承受高应力的零件 ，承受阀体的最大关井压力，还有本身的装配应力。由于法兰连接处硫化氢的微量泄漏难以避免，故螺栓发生硫化氢应力腐蚀开裂的危险性较大，应选择抗硫化氢应力腐蚀破坏的材料。JB4294.1―86标准中仅规定沉淀硬化不锈钢和40CrMnMo钢制造抗硫螺栓，选择范围小。根据美国防腐工程师协会推荐的MR―01―75标准，大部分抗硫钢材都可制造螺栓和螺母。建议今后在这方面做一些实验，在此基础上，选择制造成本低及工艺性能好的材料制造螺栓和螺母。
综上所述，拆检的井口阀门零件存在某些结构设计不合理及材料选择不当等问题，因而降低了井口阀门的抗硫化氢腐蚀能力。在今后的设计工作中对此应给予足够的重视。
作者简介:张盾,助理研究员,生于1965年,1987年毕业于北京工业学院金属材料及热处理专业;1993年毕业于中国科学院金属研究所金属材料专业,获硕士学位,现从事金属材料研究工作.地址:(110015)辽宁省沈阳市.电话:(024)23843531-55412.
作者单位：张盾 冼爱平 王仪康 中国科学院金属研究所
王秦晋 四川石油管理局勘察设计研究院
11/24/2004
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