压裂泵液力端产生裂纹的原因及预防措施.docx

第7期- 51 -压裂泵液力端产生裂纹的原因及预防措施桑伟（大庆钻探井下作业工程公司， 吉林 松原 138000）摘 要 压裂泵的液力端（阀箱）为价格昂贵的易损件，该部件在高循环压力载荷下工作，且受工作介质（酸或碱液）的腐蚀。液力端损坏现象愈发普遍，给企业带来一定的损失。本文分析了液力端损坏的原因并提出了预防措施，可相对延长 液力端的使用寿命。关键词 压裂泵；液力端；裂纹；气蚀；预防措施2.1 液力端产生裂纹的部位大多发生在排出阀锥孔到液缸拐角处。其主要原因是，在液力端排出 阀锥孔处，有排出阀上总液压产生的较大应力的 作用。排出阀在工作时，不断起落造成小能量多 冲击作用，拐角处的应力集中很大，较大的交变 应力和腐蚀介质的联合作用，容易产生裂纹。相 反，在液力端吸入阀座锥孔处，只有阀上总液压 产生的应力作用，因距交叉拐角处较远，故应力 集中对此处的影响也较小。2.2 调质时出现微裂纹。目前国内压裂泵液力端 所采用的钢材主要有43CrNi2MoV与42CrMo合金 钢，前者用于100 MPa以上压力的超高压液力端， 后者用于100 MPa以下压力的液力端。压裂泵调质 前毛坯重量达2吨多，形状复杂，壁厚不均，调质 时加热和冷却都不易均匀，在应力集中的交叉孔 相贯处有较大的残余应力，当这些残余应力达到 一定值时首先开裂、延伸，至宏观裂纹出现。这 种情况出现后，即使在出厂时通过静水压力实验 没有发现裂纹，但由于存在较大的残余应力，经 使用一段时间后，在交变应力和腐蚀介质的作用 下，也会较快地出现裂纹。2.3 液力端吸入室内产生气蚀造成液力端出现裂 纹。可以排除液力端的制造原因，重点分析气蚀 对液力端产生的影响。三缸容积式柱塞泵为往复 运动方式，由于液体流动作用，在吸入和排出管 线中产生周期性压力脉冲，这种周期性压力脉冲 的产生，是因为柱塞在吸入冲程开始工作时，由 速度为零到吸入冲程中间达到最大，然后由冲程 速度最大再回到零的加速 和减速运动而引起的。在石油勘探开发作业中，压裂、酸化施工是改造油气藏的重要手段之一。压裂施工是通过注 入高压流体使井底地层形成具有足够大小的填砂 裂缝，以增加油气的流动性，提高油气采收率的 一种有效的方法。吉林油田低渗透油气井需借助 压裂和酸化作业才能达到稳产和增产的目的。随 着油田开发的变化，大型压裂施工尤其是气井的 施工只能动用更多的设备来满足施工要求。压裂 作业需要的成套设备，通常包括多台压裂泵、12 台混砂车、1台压裂仪表车、地面管汇和其它辅助 设备。液力端是压裂泵的易损件。由于压裂泵长 期工作在恶劣的环境下，尽管液力端采用了成本 很高的优质钢和精加工工艺，也常因高应力腐蚀 发生开裂甚至损坏，寿命普遍较低，多数工作寿 命不足350 h，主要原因是液力端在工作时承受很 高的疲劳载荷、介质腐蚀及冲蚀作用，且箱体某 些形状易造成应力集中。随着油田超深井、超高 压井的不断增多，压裂泵的工作压力和排量不断 增大，在高压和高排量下，液力端 损坏情况日益 严重。因此，分析液力端损坏的原因和采取相应 的预防措施具有重要意义。1 液力端损坏的位置无论是进口的（OPI、SPM）还是国产的（濮 阳、兰州、川中）2000型液力端，都不同程度地 出现过损坏。发生裂纹的部位，在液力端的三个 缸中，靠泵排出口的那个缸裂得最多，中间缸次 之，吸入缸裂得最少；在同一缸中裂纹出现最多 的部位是排出阀座锥孔处、两孔相交处以及吸入 阀座锥孔处。2 液力端裂纹生成原因分析作者简介：桑伟（1971），男，吉林松原人，学士，工程师。从事设备管理与维修工作已12年。石油和化工设备2013年第16卷技术交流- 52 -对于三缸泵，每个缸出现同样的压力脉冲，只是三个工作缸之间存在120的相位差。三个缸每转 入60的角，一个吸入阀打开或另一个排出阀关 闭。在任意曲轴转角时，吸入和排出总管汇中所 要求的总瞬时流速是该曲轴转角时每一缸腔中的 流速总和。曲轴从0转到60，排出管汇中只能 看到从三号缸流出的液体，而吸入总管汇中的流 量要求则为第一缸和第二缸流量之和。同时，在 任意时刻流速的加速度必定和流速本身反向。如 第三缸120时，吸入阀开启，需要液体流入，同 时吸入总管汇的流速正在减少，但因为瞬时液体 的需求量必定和流速本身反向，所以流速必然增 加。而这种液体需求的突然增加而引起的损失也 被称为加速度压头损失。在这种情况下，如果没 有足够的液体按需求流入泵腔内，则压力将会突 然降低，在极端情况下，瞬时压力会突然降到接 近某种极限时，液体中就开始产生空气泡，空气 泡随液流进入泵的工作腔的扩散段，流速降低而 压力升高，空气泡得以重新凝缩。 液流中空气泡 的产生、扩大、消失过程涉及物理、化学现象， 发生噪音、振动，甚至对流体通道、液力端、工 作腔材料产生侵蚀作用，使液力端产生裂纹。3 预防液力端开裂应采取的措施预防液力端开裂，提高液力端寿命的方法较 多，可从材质、工艺、预应力处理、防气蚀等方 面进行。3.1 选择合理的液力端材质 合理选用液力端材质，一方面能改变钢的低温性能，提高钢的低温韧性。另外还可增强钢的 抗腐蚀性，对酸、碱液体的耐腐蚀能力。以往多 侧重材料的强度，认为材料强度越高越安全。但 通过国内外对材料断裂韧性的深入研究，逐渐认 识到42CrMo合金钢并不适宜，虽然它的强度极限 较高，但断韧性不好。选用高强度镍钼钢是非常 适合的，淬火时能得到针状低碳马氏体。强度虽 然低一些，但断裂韧性较高，不易开裂和扩展。3.2 改进加工工艺方法 首先是调质前粗加工液力端时，要尽可能将液力端内液流通道加工好，需精镗部位除外。好 处是：（1）粗加工量大，即使产生较大的残余应 力，调质时也能消除。（2）精加工量小，效率和 精度高，调质层不会被镗掉，加工残余应力小。（3）工件壁厚较均匀，保证调质质量。（4）流经液体通道调质层未镗掉，加砂压裂时耐磨损。其次是对液力端阀座锥孔及交叉相贯的圆弧 部位采取滚压加工，表面可冷作强化，也可提高 表面光洁度，减少刀痕的应力集中。3.3 改进液力端调质工艺(1)为消除大型锻件因冶炼和锻造时遗留的组 织偏析和微裂纹扩展，调质前增加正火工序。(2)装炉温度宜低（300400），加热速度 不要太快，以减少热应力。(3)淬火加热温度应选上限或更高一些，使奥 氏体转化的成分组织均匀，性能更完善。( 4 ) 液 力 端 淬 火 时 应 预 冷 ， 出 油 温 度 在200300，否则马氏体转变太快，内应力大易 产生裂纹。(5)回火要及时，加热速度要慢，并在低温阶 段（300350）保温，否则内应力大，易产生 回火裂纹。#(6)操作时注意：采用0.2%的合成淬火液和20机油为佳;装炉时应将液力端垫高150200 mm，以使重油加热炉的炉气畅通，保证加热均匀；加热 时，应随时调节加热炉喷嘴和火力大小，勿使火 苗直接触及零件；淬火冷却过程中，应合理选择 水冷、油冷和空冷的时间及配比。3.4 对液力端进行预应力处理 为提高液力端的使用寿命，美国已在多年前就开始对液力端内腔进行预应力处理，其原理是 通过对内表面施加超高压而使内表面形成一定深 度的残余压应力层，由此提高液力端内腔的抗疲 劳强度。要求在预应力处理前，对液力端毛坯以 及热处理和加工后的工件进行严格检验和超声波 探伤，避免出现微裂纹，不然在预应力处理时， 液力端易受高压发生爆裂。3.5 预防气蚀采取的措施 在使用中，为尽量减少液力端发生气蚀，应采取以下措施：(1)吸入管线应避免扭曲或突然转弯。为保持 混砂车吸入泵处于良好的工作状态，尽可能保证 吸入管线的数量，且管线接头密封良好。特别是 应一直保持提供足够的净吸入压头，绝对防止吸 入泵抽空现象。(2)采用选型合适、保养良好的吸入空气稳压（下转57页）刘福 浅谈硫磺回收装置中主要的腐蚀与防护第7期- 57 -2.2 影响因素影响高温硫腐蚀的主要因素有以下几点：2.2.1 H2S的浓度当H 2 S 的浓度低于某一值时，H 2 S 使F e 变为 F eS ，两者达到热动力平衡，基本无腐蚀产生。 当H2S的浓度超过一定值时，腐蚀速率会随H2S的 浓度增加而急剧增加，但当H2S浓度超过1% (mol) 时，腐蚀速率不再发生变化。2.2.2 温度当温度超过2 4 0 时，硫腐蚀开始发生。在315480时，随着温度增加，腐蚀速率急剧 增加，此时温度每增加55，腐蚀速率约增加两 倍。2.2.3 时间 高温硫腐蚀的速率随着时间的延长而逐渐下降，超过500 h的腐蚀速率为短时间的腐蚀速率的1/21/10。2.2.4 压力 在高温H2S+H2的腐蚀环境中，总压力对高温硫腐蚀速率几乎没有影响。2.2.5 流速 流速越高，金属表面的FeS保护膜越易脱落，界面不断更新，腐蚀进一步加剧。2.2.6 材质 材质的不同，抗高温硫腐蚀性能也不同，抗腐蚀能力与材质中的铬含量有关。2.3 防护措施高温硫腐蚀主要为均匀腐蚀，故应采用防腐材料。工程设计中，一般按标准规定控制腐蚀速 率。材料的选用既要考虑其抗腐蚀性，又要经济 可行。对于高温硫腐蚀可依据经修正的McConomy 曲线（SH/T3075-2009中附录E）估算腐蚀速率来 确定材料。对于H2S+H2共同作用的腐蚀环境，在 确定材料腐蚀速率时，可依据高温H2S/H2腐蚀曲线（SH/T3075-2009中附录F）估算腐蚀速率来确定 材料。结合硫磺回收装置，因硫磺回收装置中操作 压力低，介质流速不高，生成的FeS保护膜对设备 起到了保护作用，设备材质选用碳钢材料即可。3 结束语硫磺回收装置中最主要的腐蚀是湿H2S腐蚀、 高温硫腐蚀，但因硫磺回收装置中操作压力低， 介质流速不高的特点，高温硫腐蚀一般不会对设 备产生比较严重的腐蚀，设备的腐蚀损坏最终表 现为湿H2S腐蚀，在设备选材过程中应尽量降低湿 H2S造成的腐蚀。参考文献1 李世玉. 压力容器设计工程师培训教程M.北京：新华出 版社，2005.2 黄建中，左禹. 材料的耐蚀性和腐蚀数据M.北京：化学 工业出版社，2003.3 GB150.1150.4-2011，压力容器S.4 HG/T20581-2011，钢制化工容器材料选用规定S.5 SH/T3074-2007，石油化工钢制压力容器S.6 SH/T3075-2009，石油化工钢制压力容器材料选用规范S. 收稿日期：2013-05-03；修回日期：2013-05-29 （上接52页）时更换混砂车排出泵。器使上述问题的出现降低到最小程度。良好的盘根、柱塞、凡尔及凡尔座等液力端附件均能保证 压裂泵的工作性能正常。(3)采用大直径的吸入管线保证足够的体积， 尽可能缩短管线长度，从而使加速度压头损失减 少至最小。(4)混砂车排出泵应供给压裂泵符合要求