التحقيق في فشل إجهاد سيقان صمام الاختناق الفائق السبائك الفائق من النيكل المستخدمة في خدمة حقن المياه تحت سطح البحر
Title The investigation of the fatigue failure of nickel-based superalloy718 choke valve stems used in offshore subsea water injection Service
الباحث الرئيس عصام ربيع ابراهيم محمود
التخصص: الهندسة الميكانيكية
التخصص الدقيق: هندسة المواد المتقدمة
المستخلص: يقوم هذا البحث بتحليل فشل إدخالين من صمامات الاختناق من الخدمة البحرية تحت سطح البحر في شمال بحر الشمال. تم تصنيع سيقان صمام الخنق من السبائك الفائقة القائمة على النيكل 718 ومغطاة بمرحاض. كانت عمر التصميم 25 عامًا. تم حقن مياه البحر المعالجة بمعدل 5600 م 3 / يوم لحوالي 3 سنوات ، ثم تم زيادة معدل حقن الماء إلى 7360 م 3 / يوم في السنوات الأربع التالية مع إضافة المياه المنتجة من الحقل. كان الحد الأقصى لمعدل التدفق التصميمي للخنق 8320 م 3 / يوم. فشل الخانق الأول بعد حوالي 7 سنوات في التشغيل. تمت إزالة الخانق واستبداله بخنق آخر من نفس التصميم ومواد البناء ، والذي فشل بعد أقل من 12 شهرًا من الخدمة. حدث الفشل تقريبًا في نفس الموقع في قسم الجذع المجوف حيث تم حفر فتحات منفذ موازنة الضغط. تركزت التحليلات على الفركتوجرافي وكذلك تقييم المواد الكيميائية والميكانيكية والمعدنية. أظهر فحص جميع المواد أن مادة الجذع الفاشلة تمتثل للمواصفة API 6A718 وتم معالجتها حرارياً بشكل صحيح. يظهر التشخيص أن التعب كان آلية الفشل الأساسية. حدث بدء التعب في موقع على ميناء بسبب تركيز إجهاد الشد المحلي العالي بشكل خاص. في هذه الحالة ، يبدو أن الدافع الرئيسي لبدء الشقوق المرهقة وانتشارها هو دورة التحميل. أشارت الفركتوغرافيا (علامات الشاطئ) إلى أن آلية التعب ذات التردد المنخفض والسعة المنخفضة كانت نشطة. يوصى بنقل منفذ التوازن إلى الجزء العلوي من السدادة حيث من المتوقع أن يكون تركيز إجهاد الشد المحلي عند الحد الأدنى.
Abstract: This paper analyse the failure of two choke valve inserts from offshore subsea service in the Northern North Sea. The choke valve stems were manufactured from Nickel-based superalloys 718 and coated with WC. The design life was 25 years. Treated seawater was injected at a rate of 5600 m3/d for about 3 years, and then water injection rate was increased to 7360 m3/d in next 4 years with an addition of produced water from the field. Maximum design flowrate for the choke was 8320 m3/d. The first choke was failed after about 7 years in operation. The choke was removed and replaced by a second choke of same design and material of construction, which failed after less than 12 months service. The failure occurred almost at the same location at the hollow stem section where pressure balancing port holes were drilled. The analyses were concentrated on the fractography as well as materials chemical, mechanical and metallurgical evaluation. All the materials examination demonstrated that the failed stem material complied with API 6A718 and had been heat-treated correctly. The diagnose shows that fatigue was the primary failure mechanism. Fatigue initiation occurred at a location on a port owing to particularly high local tensile stress concentration. The main drive of fatigue crack initiation and propagation, in this case, appears to be the loading cycle. Fractography (beach marks) indicated that high frequency low amplitude fatigue mechanism was active. The balance port is recommended to be moved to the top of plug where local tensile stress concentration is anticipated to be minimum.