薄紀(jì)康

寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寧波,315800

高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損機(jī)理及其激光熔覆再制造

薄紀(jì)康

寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寧波,315800

為獲取高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損機(jī)理并解決其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的閥芯局部損傷修復(fù)問(wèn)題,進(jìn)行了高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損試驗(yàn)。在分析沖蝕磨損現(xiàn)象和形貌的基礎(chǔ)上，提出了高壓節(jié)流閥閥芯的沖蝕磨損機(jī)理。為恢復(fù)高壓節(jié)流閥閥芯的服役性能，采用鐵基合金粉末進(jìn)行了閥芯的激光熔覆再制造，恢復(fù)了閥芯的形狀尺寸。再制造閥芯的沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,激光熔覆再制造可恢復(fù)高壓節(jié)流閥的服役性能。

高壓節(jié)流閥;沖蝕磨損;激光熔覆再制造；鐵基合金粉末

0　引言

高壓節(jié)流閥是石油和天然氣開(kāi)采中的特殊專用設(shè)備，用于調(diào)節(jié)由井底返回的鉆井液壓力，并向井底提供適當(dāng)?shù)幕貕阂云胶獾貙訅毫?防止井涌、井噴等事故的發(fā)生[1-2]。高壓節(jié)流閥的損壞往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果,因此對(duì)其可靠性和安全性要求極高。高壓節(jié)流閥的工作特點(diǎn)決定其經(jīng)常承受高壓沖擊，承受的壓力載荷最高可超過(guò)100 MPa。沖蝕磨損是高壓節(jié)流閥的主要失效形式[3]。而高壓節(jié)流閥的工作條件惡劣,含有大量固體顆粒的高速流體對(duì)閥芯形成沖蝕破壞,造成了很大的安全隱患。

目前,高壓節(jié)流閥被國(guó)外壟斷，價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)高壓節(jié)流閥在使用過(guò)程中沖蝕磨損失效嚴(yán)重，因此延長(zhǎng)高壓節(jié)流閥的使用壽命具有重要的應(yīng)用價(jià)值。高壓節(jié)流閥往往因閥芯的沖蝕磨損導(dǎo)致泄漏事故，進(jìn)行整體更換會(huì)大幅增加成本，降低工作效率。高壓節(jié)流閥閥芯的局部磨損、沖蝕等損傷的修復(fù)，一直是高壓節(jié)流閥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用面臨的技術(shù)難題，目前對(duì)高壓節(jié)流閥的有效修復(fù)技術(shù)尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。激光再制造技術(shù)是一種全新概念的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，不僅可使損傷的零部件恢復(fù)外形尺寸，還可以使其使用性能達(dá)到甚至超過(guò)新品的水平，其成本約為新品的50%，并可節(jié)能60%、節(jié)材70%，是重大工程裝備修復(fù)新的發(fā)展方向[4-5]。激光再制造具有修復(fù)精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，能緩解資源緊張與資源浪費(fèi)，減小失效或報(bào)廢產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的危害[6],創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

本文以一種國(guó)產(chǎn)高壓節(jié)流閥為研究對(duì)象，進(jìn)行了高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損試驗(yàn)，分析了閥芯的沖蝕磨損機(jī)理，并對(duì)閥芯進(jìn)行了激光熔覆再制造的對(duì)比試驗(yàn)研究。

1　高壓節(jié)流閥沖蝕磨損失效機(jī)理

1.1高壓節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

高壓節(jié)流閥是一種多級(jí)降壓、高壓差調(diào)節(jié)閥，適用于高溫、高壓及高壓差下的節(jié)流和截止，可用于控制含有固體顆粒流體的流量和壓力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該高壓節(jié)流閥由噴嘴、閥芯、節(jié)流軸、閥體、閥桿等組成，采用閥座噴嘴、籠形閥套節(jié)流軸結(jié)構(gòu)，具有多級(jí)節(jié)流功能，節(jié)流壓差大。噴嘴裝置在閥座下端，閥芯設(shè)置有平衡孔，閥芯套開(kāi)設(shè)有節(jié)流孔。閥芯與閥座采用雙質(zhì)密封副將密封部位與節(jié)流部位分開(kāi)，形成前后三級(jí)節(jié)流。

圖1　石油鉆井用高壓節(jié)流閥

閥芯在閥桿提升力作用下，上移打開(kāi)閥芯套節(jié)流孔時(shí),流體被噴嘴和節(jié)流軸節(jié)流后進(jìn)入閥座內(nèi)腔，再通過(guò)閥芯套開(kāi)孔部位與閥芯端部的圓柱面形成的節(jié)流孔排出。

高壓節(jié)流閥的額定工作壓力可達(dá)85 MPa。使用過(guò)程中,高壓節(jié)流閥開(kāi)關(guān)頻繁，閥芯經(jīng)常受到?jīng)_擊和液體的循環(huán)作用,易出現(xiàn)疲勞磨損失效。節(jié)流過(guò)程中，高速流體對(duì)閥芯形成沖蝕作用，導(dǎo)致閥芯的沖蝕磨損失效。

1.2高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損試驗(yàn)

高壓節(jié)流閥的工作環(huán)境惡劣,承受的工作壓力很大,同時(shí)受到40～50 m/s高速流體的循環(huán)沖擊。含有大量固體顆粒的高速流體不斷沖刷高壓節(jié)流閥的閥芯，使其受到?jīng)_蝕磨損，因而沖蝕磨損是高壓節(jié)流閥正常工作下失效的主要形式[3]。

為確定高壓節(jié)流閥的失效機(jī)理和失效數(shù)據(jù),進(jìn)行了高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M高壓節(jié)流閥在實(shí)際工況下的沖蝕磨損行為。試驗(yàn)采用鉆井現(xiàn)場(chǎng)取樣的固液混合物，固體顆粒直徑d為0.1～0.3 mm。試驗(yàn)在自制的液壓沖蝕試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，流速為50 m/s的固液混合物通過(guò)高壓泵泵送入高壓節(jié)流閥。沖蝕磨損試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行15 h,每小時(shí)進(jìn)行1次閥芯的稱重和觀察，稱重前用無(wú)水乙醇超聲清洗閥芯并吹干；采用精密電子天平測(cè)定閥芯的沖蝕磨損質(zhì)量損失，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察閥芯表面的沖蝕磨損形貌。

為更進(jìn)一步表征磨損量，采用沖蝕磨損率來(lái)表征閥芯的耐磨性。沖蝕磨損率可分為累積沖蝕磨損率和單位時(shí)間沖蝕磨損率，累積沖蝕磨損率W為

(1)

式中,m0為閥芯的初始質(zhì)量;m′為測(cè)量時(shí)的閥芯質(zhì)量;qm為固液混合物的質(zhì)量流量;t為沖蝕時(shí)間。

單位時(shí)間沖蝕磨損率E為

(2)

式中,m1、m2分別為每次沖蝕前后的質(zhì)量。

1.3高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損機(jī)理

圖2所示為閥芯沖蝕質(zhì)量損失隨時(shí)間變化的曲線。由圖2可見(jiàn),0～5 h內(nèi),閥芯質(zhì)量損失較小，且變化率也較小,此階段為穩(wěn)定磨損階段。5 h后,閥芯沖蝕的質(zhì)量損失急劇增大,變化率也較大,此階段為快速磨損階段。由圖2的數(shù)據(jù)分析可知,0～5 h內(nèi)閥芯的磨損量較小,但隨著時(shí)間推移,閥芯表面強(qiáng)度因磨損而減弱,在固液兩相流的沖刷作用下,磨損區(qū)域迅速擴(kuò)散，閥芯后期的質(zhì)量損失大于前期的質(zhì)量損失，說(shuō)明閥芯后期的磨損較大。高壓節(jié)流閥的實(shí)際使用中，應(yīng)在沖蝕5 h后關(guān)注閥芯的磨損情況。

圖2　閥芯沖蝕質(zhì)量損失

由式(2)可知,單位時(shí)間沖蝕磨損率E與閥芯沖蝕質(zhì)量損失m1-m2成正比,因而其變化趨勢(shì)類似于圖2所示曲線的變化趨勢(shì)。

5 h時(shí)的閥芯沖蝕磨損SEM照片如圖3所示，此時(shí)的閥芯已有一定的剝蝕，但磨損表面相對(duì)平整，質(zhì)地相對(duì)緊密,表面強(qiáng)度并無(wú)大的變化。15 h時(shí)的閥芯沖蝕磨損SEM照片如圖4所示，此時(shí)的剝蝕已相當(dāng)嚴(yán)重，閥芯表面材料大幅脫落，表面有微裂紋和凹坑，說(shuō)明閥芯表面裂紋已進(jìn)入不穩(wěn)定擴(kuò)展階段[7-8]。

圖3　5 h時(shí)的閥芯沖蝕磨損SEM照片

圖4　15 h時(shí)的閥芯沖蝕磨損SEM照片

閥芯累積沖蝕磨損率如圖5所示。由圖5可見(jiàn),累積沖蝕磨損率在0～6 h內(nèi)變化較為明顯，此時(shí)處于快速磨損階段。該階段的沖蝕磨損率受到表面缺陷、表面平整度及表層材料在沖擊載荷作用下發(fā)生調(diào)整等因素的顯著影響[4]，閥芯表面的裂紋處于起始萌生階段。6 h后進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段,裂紋和凹坑同步擴(kuò)展。

圖5　閥芯累積沖蝕磨損率

閥芯的沖蝕磨損具有復(fù)雜的機(jī)理和形成過(guò)程。在閥芯受到固液混合物高壓作用時(shí)，固體粒子對(duì)閥芯表面造成沖擊，使得閥芯表面分離出磨屑,閥芯表面形成剝離現(xiàn)象;脆性固體粒子沖擊閥芯表面后發(fā)生碎裂，碎裂后的固體粒子碎片還會(huì)對(duì)閥芯產(chǎn)生第2次沖擊,即二次沖蝕。因此，根據(jù)沖蝕磨損的二次沖蝕理論，閥芯的沖蝕磨損分為2個(gè)階段：固體粒子直接沖擊形成的第1次沖蝕磨損、碎裂后的粒子造成的第2次沖蝕。同時(shí),固液混合物成分復(fù)雜,對(duì)閥芯材料有一定的腐蝕作用,閥芯表面被沖蝕破壞后，閥芯材料將很快發(fā)生剝離，閥芯進(jìn)入快速磨損階段(如圖2的5 h后的曲線所示),裂紋和凹坑也將以很快的速度擴(kuò)展。

2　高壓節(jié)流閥激光熔覆再制造

本文采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行高壓節(jié)流閥閥芯的再制造研究，基體為沖蝕磨損后的高壓節(jié)流閥閥芯。沖蝕磨損后的閥芯用砂紙打磨以去除氧化層，然后用丙酮溶液清洗后烘干并預(yù)熱至420℃。激光熔覆材料為鐵基合金粉末,粒度為-150～300目。鐵基合金粉末的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。試驗(yàn)前，對(duì)粉末進(jìn)行真空烘干處理，以去除粉末表面吸附的水分。

表1　鐵基合金粉末化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

試驗(yàn)采用Nd:YAG固體激光器，利用數(shù)控系統(tǒng)控制工作臺(tái)及激光器，并采用氮?dú)獗Ｗo(hù)。采用直接熔覆方式，即鐵基合金粉末直接送入激光束中，同步完成供料和熔覆，熔覆后自然冷卻。激光熔覆再制造的激光器功率為1 kW,激光光斑直徑為2 mm,保護(hù)氣體流量為1.2 m3/h,熔覆層厚度為0.4 mm。

閥芯進(jìn)行激光熔覆再制造后的表面形貌如圖6所示,橫截面形貌如圖7所示。由圖6可以看出，熔覆層表面質(zhì)地緊密平整。探傷結(jié)果表明，熔覆層表面未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。由圖7可見(jiàn)，基體與熔覆層之間無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，界面處具有較窄的灰色結(jié)合帶，這表明閥芯基體和鐵基合金粉末之間形成了良好的冶金結(jié)合。閥芯外形與尺寸的測(cè)量結(jié)果表明，激光熔覆再制造能恢復(fù)其原始形狀與尺寸。

圖6　激光熔覆再制造后的表面形貌

圖7　激光熔覆再制造后的橫截面形貌

3　高壓節(jié)流閥激光再制造抗磨損性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證高壓節(jié)流閥激光再制造的沖蝕磨損性能，進(jìn)行了激光再制造后的抗磨損性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與前文條件相同,得到的閥芯沖蝕質(zhì)量損失和累積沖蝕磨損率如圖8、圖9所示。為方便比較，將激光再制造前后的沖蝕質(zhì)量損失和沖蝕磨損率分別在同一圖上表示。

圖8　再制造后的閥芯沖蝕質(zhì)量損失

對(duì)比再制造前后的閥芯沖蝕質(zhì)量損失(圖8)可看到，再制造后的閥芯表現(xiàn)了較好的抗沖蝕磨損性能，在閥芯工作的0～8 h內(nèi),其沖蝕質(zhì)量損失變化較小，沒(méi)有明顯的突變，且其沖蝕質(zhì)量損失小于再制造前的閥芯；工作8 h后,沖蝕質(zhì)量損失開(kāi)始有顯著增加的趨勢(shì)，且在最后3h內(nèi)，沖蝕質(zhì)量損失大于再制造前的閥芯，說(shuō)明此時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度降低，導(dǎo)致材料流失嚴(yán)重。由再制造后的閥芯累積沖蝕磨損率(圖9)可以看到，累積沖蝕磨損率變化趨勢(shì)較緩，0～8 h內(nèi)的累積沖蝕磨損率較為接近，在閥芯工作8h后，累積沖蝕磨損率產(chǎn)生突增，閥芯進(jìn)入快速磨損階段。

圖9　再制造后的閥芯累積沖蝕磨損率

熔覆區(qū)的顯微硬度曲線如圖10所示，可見(jiàn)熔覆層(厚度3 mm)的硬度明顯高于閥芯基材的硬度。這主要是由于鐵基合金粉末在激光熔覆再制造過(guò)程中充分熔融，產(chǎn)生了較多的液相且保持較好的流動(dòng)性，使得組織致密度較高，因而熔覆層的顯微硬度比較高[9-10]。

圖10　熔覆區(qū)顯微硬度曲線

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，閥芯的激光再制造基本恢復(fù)了其服役性能，在閥芯工作的0～8 h內(nèi),其性能甚至在一定程度上優(yōu)于再制造之前，因此，激光再制造是恢復(fù)閥芯尺寸和性能的有效手段。

4　結(jié)論

(1)進(jìn)行了高壓節(jié)流閥的沖蝕磨損試驗(yàn)，分析了閥芯的沖蝕磨損過(guò)程和磨損機(jī)理。

(2)進(jìn)行了高壓節(jié)流閥閥芯激光熔覆再制造的試驗(yàn)研究。再制造后的閥芯表面質(zhì)地緊密平整，未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷，形狀和尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)閥芯再制造前后的沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，閥芯的激光再制造基本恢復(fù)了其服役性能，可有效節(jié)約高壓節(jié)流閥的使用成本。

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(編輯張洋)

Erosion Wear Mechanism and Laser Cladding Remanufacturing of High-pressure Throttle Valves

Bo Jikang

Ningbo Polytechnic,Ningbo,Zhejiang,315800

To solve the problem of erosion wear mechanism and the partial damage repair problems of the valve core in the application of high-pressure throttle valves,this paper performed erosion wear experiments of a high-pressure throttle valve.The erosion wear mechanism of the valve core was presented based on the analysis of erosion phenomena and pattern.To recover the service performance of high-pressure throttle valve,laser cladding remanufacturing of the valve core was conducted by using ferroalloy powder,and the shape and size of the valve core was restored.The erosion wear experiments of the remanufactured high-pressure throttle valve were performed,and the experimental results show that laser cladding remanufacturing can restore the service performance of the high-pressure throttle valve.

high-pressure throttle valve;erosion wear;laser cladding remanufacturing;ferroalloy powder

2013-09-06

工業(yè)及信息化部2011年國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(財(cái)建[2011]329號(hào));浙江省高職(高專)專業(yè)帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(浙教高科[2007]209號(hào))

TH137.5DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.023

薄紀(jì)康,男,1965年生。寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心副教授。主要研究方向?yàn)橐簤涸O(shè)計(jì)與制造技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)。發(fā)表論文16篇。