劉文超 馬 群 潘 旭 宋曉俊 徐鵬海 王珠峰

（中國(guó)石油塔里木油田公司克拉油氣開(kāi)發(fā)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

克深氣田是塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶上的一個(gè)裂縫性致密砂巖氣田，具有地層壓力超高（≥120 MPa）、埋藏超深（≥6 000 m）、地層溫度超高（≥165 ℃）的特點(diǎn)，屬于典型的“三超”氣田，為應(yīng)對(duì)超高壓、超高溫、高產(chǎn)的生產(chǎn)工況，井口采氣裝置多為進(jìn)口的WOM 78-78／140采氣樹(shù)。隨著克深氣田的全面開(kāi)發(fā)，井口裝備服役時(shí)間加長(zhǎng)，加之氣田出砂、出水等極為復(fù)雜的生產(chǎn)工況，導(dǎo)致采氣井口諸多閥門(mén)均存在不同程度的內(nèi)漏與外漏現(xiàn)象，每年克深氣田僅內(nèi)漏閥門(mén)的數(shù)量就高達(dá)100只，成為高壓氣井生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的安全隱患。由于WOM采氣樹(shù)完全依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)未生產(chǎn)該型號(hào)采氣樹(shù)配件，配件采購(gòu)周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約采氣樹(shù)隱患治理進(jìn)度，影響了單井的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，制約了氣田的高效開(kāi)發(fā)。

1 采氣樹(shù)閥門(mén)失效原因分析

1.1 閥門(mén)的主要失效模式

根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，閥門(mén)常見(jiàn)的失效模式為腐蝕、磨損及密封件老化。針對(duì)克深區(qū)塊，腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，磨損主要是沖蝕磨損、粘著磨損、腐蝕磨損，密封盤(pán)根老化、鼓泡、永久變形［1］。上述失效模式主要造成以下兩種失效形勢(shì)，一是閘板被刺壞或閘板被介質(zhì)腐蝕等導(dǎo)致密封面失效而使閥門(mén)內(nèi)漏；二是閥門(mén)的閥桿盤(pán)根密封處密封圈老化、閥蓋與閥體連接處密封失效等導(dǎo)致的閥門(mén)外漏［2］。

1.2 閥門(mén)失效的原因分析

眾所周知，井口裝置的腐蝕主要為化學(xué)腐蝕和硫化物應(yīng)力腐蝕，由于克深氣田不含有硫化氫，造成腐蝕的因素主要為化學(xué)腐蝕。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采氣樹(shù)閥門(mén)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)閘板基板與表面噴焊層有明顯的分界線（圖1），生產(chǎn)過(guò)程中，氣流對(duì)此分界線不斷沖刷，導(dǎo)致表面噴焊層脫落，同時(shí)CO2分壓溶解于金屬表面的水膜中而形成電解質(zhì)液，最終造成閥門(mén)的電化學(xué)腐蝕損壞。

圖1 閘板基板與表面噴焊層有明顯的分界線圖

采氣樹(shù)閥門(mén)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿，閥桿帶動(dòng)閥板，實(shí)現(xiàn)閘板的上下運(yùn)動(dòng)，從而使閥門(mén)開(kāi)和關(guān)。克深區(qū)塊氣井井口壓力均在70 MPa 以上，采氣樹(shù)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，一端承受高壓，另一端壓力很低或無(wú)壓，因而造成局部應(yīng)力很高，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形并牢固地粘附，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)力，因粘合部位材質(zhì)等級(jí)較低，零件表面形成了粗糙凹坑；其次，在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，高速流體沖蝕閘板、閥座，使這些零件工作表面產(chǎn)生了宏觀上順著氣流方向的蝕槽、深溝（圖2）。

圖2 閥板閥座磨損失效圖

采氣樹(shù)配件中密封盤(pán)根較為薄弱，為易損件。由于盤(pán)根與閥桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨損，環(huán)境溫度變化引起老化，加之盤(pán)根處在高應(yīng)力條件下工作，極易引起盤(pán)根失效。密封盤(pán)根的老化主要是因?yàn)槭褂脮r(shí)間較長(zhǎng)，溫度較高所致。由于溫度變化，使本來(lái)處于高應(yīng)力下的盤(pán)根產(chǎn)生了附加溫度應(yīng)力，使其疲勞，加速老化，低溫使其彈性恢復(fù)差，產(chǎn)生裂紋并變脆，形成永久變形（圖3）。

圖3 密封盤(pán)根老化變形圖

通過(guò)對(duì)采氣樹(shù)閥門(mén)失效的研究和分析，確定了以閥板與閥座密封面腐蝕、磨損及閥桿盤(pán)根密封失效機(jī)理為問(wèn)題導(dǎo)向，進(jìn)行研究，從優(yōu)選耐磨硬質(zhì)合金噴涂工藝，閥板、閥座材質(zhì)及非金屬密封材料優(yōu)化升級(jí)三個(gè)方面開(kāi)展研究工作。

2 優(yōu)選耐磨硬質(zhì)合金噴涂工藝及材料

2.1 金屬密封面常用噴涂材料及噴涂方法

金屬密封面噴涂材料除對(duì)強(qiáng)度、腐蝕性能等要求外，還對(duì)密封面材料硬度有著很高的要求，其主要原因是金屬密封面需要承受相應(yīng)的密封比壓，以防止金屬密封面發(fā)生塑性變形和被壓潰等現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)硬度還與金屬密封面的耐磨能力有關(guān)。因此在設(shè)計(jì)閘板閥時(shí)，一般會(huì)在金屬密封面噴焊Ni-Cr-B-Si系自熔合金粉或硬質(zhì)合金WC等材料。

目前常用的硬質(zhì)合金涂層方法有以下幾種：物理氣相沉積法（PVD）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）、氧乙炔火焰噴涂（焊）、高速火焰熱噴涂（HVOF）、等離子噴涂、溶膠-凝膠法、鹽浴侵鍍法、等離子噴涂、低壓火焰沉積（LPFD）等［3-7］，其中高速火焰噴涂（HVOF），或稱(chēng)超音速火焰噴涂，因優(yōu)點(diǎn)為可噴涂的材料較多，同時(shí)由于其在制備過(guò)程中火焰含氧量較少溫度適中，焰流速度很高，能有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解，因此這種方法特別適合碳化物類(lèi)涂層的噴涂。

因此將選擇對(duì)閘板閥金屬密封面采用高速火焰噴涂的方法，分別對(duì)閘板閥金屬密封面噴焊材料FZ?Ni-35 和噴涂硬質(zhì)合金WC 進(jìn)行對(duì)比研究。噴涂表面如圖4所示。

圖4 硬質(zhì)合金噴涂表面圖

2.2 噴涂材質(zhì)摩擦系數(shù)測(cè)量

摩擦系數(shù)測(cè)量方式主要分為3種形式：平面摩擦系數(shù)測(cè)量法、斜面摩擦系數(shù)測(cè)量法和擺式摩擦系數(shù)測(cè)量法。筆者采用平面摩擦系數(shù)測(cè)量法對(duì)噴涂材料摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。運(yùn)用BRUKER 多功能微納壓痕測(cè)試儀，分別選取金屬密封面噴焊材料FZNi-35以及硬質(zhì)合金WC進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)材料摩擦系數(shù)測(cè)量?jī)纱稳∑骄怠?shí)驗(yàn)測(cè)得兩種材料的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 噴涂材料摩擦系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)圖

材料FZNi-35 合金第一組實(shí)驗(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.128 3，第二組實(shí)驗(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.127 58，平均值為0.127 94；材料硬質(zhì)合金WC 第一組實(shí)驗(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.076 48，第二組實(shí)驗(yàn)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.087 31，平均值為0.081 895。對(duì)比發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金WC的動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于FZNi-35合金的動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.3 噴焊材料受力性能分析

在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，雖然閥板、內(nèi)閥座、閥體間存在裝配時(shí)的預(yù)緊力，但與密封面間的摩擦力以及閥桿端面的推力相比，數(shù)值較小，故忽略不計(jì)。在壓力一定的情況下，若忽略盤(pán)根密封因壓力變化影響，閘板閥的開(kāi)關(guān)扭矩則取決于閥板與閥座間的摩擦力，即金屬密封面的摩擦系數(shù)將會(huì)直接影響閘板閥開(kāi)啟扭矩的大小。當(dāng)閥板處于浮動(dòng)狀態(tài)前瞬間，即閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉瞬間，所需的扭矩最大。

閘板閥閥桿采用29°ACME 梯形螺紋，其梯形螺紋扭矩T與軸向力Fa的關(guān)系為

式中，T為梯形螺紋扭矩，N · mm；Fa為軸向力，N；d為螺紋中徑，mm；γ為導(dǎo)程角，（°）；ρv為當(dāng)量摩擦角，f為螺紋表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)，無(wú)因次；α為螺紋牙形半角，（°）。

式中，μ為密封表面摩擦系數(shù)，無(wú)因次；FN為閥板表面總支持力，N；

當(dāng)同一閥門(mén)在相同的工況條件下，除金屬密封表面涂層不同，其他結(jié)構(gòu)完全一致時(shí)，聯(lián)立公式（1）（2）（3）可得螺紋扭矩T與摩擦系數(shù)μ的關(guān)系為

公式（4）中的中括號(hào)結(jié)果為常數(shù)，則螺紋扭矩T與摩擦系數(shù)μ之間為線性關(guān)系，由第二節(jié)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，F(xiàn)ZNi-35 合金的動(dòng)摩擦系數(shù)是硬質(zhì)合金WC的動(dòng)摩擦系數(shù)的1.56倍，即閥門(mén)開(kāi)關(guān)力矩FZNi-35合金是硬質(zhì)合金WC的1.56倍，因此，選取合適的金屬密封面噴涂材料是降低動(dòng)摩擦系數(shù)及閘板閥開(kāi)關(guān)力矩的重要因素。

2.4 噴焊材料耐磨性能研究

用Co元素作為粘結(jié)相，研究不同Ni含量的硬質(zhì)合金的耐磨性能，選擇了下述3 種不同的硬質(zhì)合金（表1）。

表1 三種硬質(zhì)合金材料成分表

按試樣材料的種類(lèi)分為3組，采用MLS-225型濕砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)，每組試驗(yàn)用一個(gè)橡膠輪，試驗(yàn)完成后更換橡膠輪與砂漿，以保證試驗(yàn)條件相同。每個(gè)試樣共運(yùn)轉(zhuǎn)12 000轉(zhuǎn)，12 000轉(zhuǎn)后磨損痕跡如圖6 所示，每2 400 轉(zhuǎn)作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，用5個(gè)測(cè)點(diǎn)繪制磨損曲線（圖7）。

圖6 3種材料運(yùn)轉(zhuǎn)12 000轉(zhuǎn)后磨損痕跡圖

圖7 3種材料磨損量與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系曲線圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，A材料在任何轉(zhuǎn)數(shù)下磨損量最小，材料耐磨性最好，閘板閥金屬密封面噴涂材料應(yīng)優(yōu)選A材料。

2.5 高低壓氣壓檢測(cè)試驗(yàn)

將噴涂好的閥板、閥座以及其他零部件完整裝配在140 MPa的閘板閥閥體上，并對(duì)閘板閥進(jìn)行氣壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)。第一次為高壓氣密封實(shí)驗(yàn)，由0逐漸加壓至70 MPa，在70 MPa穩(wěn)壓3 min，在無(wú)泄漏的前提下繼續(xù)加壓至140 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降為0.97 MPa≤2.0 MPa；第二次為低壓實(shí)驗(yàn)，由0 升壓至2.5 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降為0.14 MPa≤0.2 MPa，兩次實(shí)驗(yàn)均無(wú)可見(jiàn)氣泡產(chǎn)生，密封成功驗(yàn)證了密封表面金屬涂層WC的合理性。

3 優(yōu)選閥板、閥座硬質(zhì)合金材質(zhì)

克深氣田氣井井口壓力均在70 MPa 以上，存在出砂、出水等現(xiàn)象，生產(chǎn)工況極為復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況判斷，現(xiàn)用閥門(mén)的材質(zhì)等級(jí)相對(duì)較低，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。對(duì)閥板、閥座材質(zhì)優(yōu)化也是提高閥門(mén)耐沖蝕關(guān)鍵所在。

通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，Inconel718高溫鎳基合金表面形成致密的鈍化膜作為阻隔層，減緩了基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而有效保護(hù)了基體，具有優(yōu)良耐腐蝕性能及加工性能，根據(jù)住友公司和NKK 公司選材圖［8-10］，Inconel 718 高溫鎳基合金耐腐蝕，強(qiáng)度高，能滿(mǎn)足復(fù)雜工況下油氣井的開(kāi)采的要求?；诖?，對(duì)采氣樹(shù)的閥板及閥座的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，用Inc?onel 718高溫鎳基合金代替原來(lái)12Cr13。

從表2對(duì)比看出，Inconel 718材料的性能全面高于12Cr13 材料，加工成零件后使用壽命和性能會(huì)高于進(jìn)口配件。

表2 12Cr13與Inconel 718材料性能對(duì)比

4 非金屬密封材料優(yōu)化升級(jí)

目前，常用的密封盤(pán)根材質(zhì)多為四氟材料，四氟材料具有耐溫、耐腐蝕、耐摩擦、不粘附等性能，但在承受壓力高、溫度變化幅度大、閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻繁等工況下，密封盤(pán)根使用壽命大幅度降低［11］，為提高密封盤(pán)根的使用壽命，選擇在純的四氟材料里面添加石墨、玻纖等進(jìn)行改性，通過(guò)對(duì)改性后的四氟材料理論分析、計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算、實(shí)物工況試驗(yàn)等手段驗(yàn)證（圖8），在常溫、121 ℃高溫、-46 ℃低溫等狀況下均能滿(mǎn)足140 MPa密封的要求。改性后的四氟材料增加了強(qiáng)度，提高了密封等級(jí)；降低了摩擦系數(shù)，提升了耐磨性能。

圖8 密封材料仿真模擬

5 應(yīng)用效果

所研制的“三超”氣井采氣樹(shù)配件截至目前已應(yīng)用了12井次，平均使用壽命達(dá)到了424 d，使用壽命顯著提高。配件國(guó)產(chǎn)化成功應(yīng)用，解決了進(jìn)口配件價(jià)格昂貴，廠家技術(shù)服務(wù)響應(yīng)慢，關(guān)鍵技術(shù)受制他人等問(wèn)題。配件采購(gòu)周期縮短80%，極大提高了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)隱患的處置效率。

6 結(jié)論

1）通過(guò)閥板、閥座材質(zhì)優(yōu)化改進(jìn)、硬質(zhì)合金材料和噴涂工藝優(yōu)選、非金屬密封材料改進(jìn)三方面研究，生產(chǎn)制造的閥門(mén)平均使用壽命為424 d，使用壽命得到顯著提升。

2）通過(guò)高速火焰噴涂（HVOF）對(duì)閘板閥進(jìn)行噴涂，對(duì)Ni 基合金與硬質(zhì)合金WC 摩擦系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，WC摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于Ni合金。由于摩擦系數(shù)影響到閘板閥開(kāi)關(guān)力矩，從摩擦系數(shù)考慮金屬密封面噴涂材料優(yōu)先考慮噴涂硬質(zhì)合金WC。

3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬質(zhì)合金中Ni 元素的含量越高時(shí)，硬質(zhì)合金腐蝕程度越低。對(duì)備選的三種硬質(zhì)合金WC 進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料中WC 含量A＞B＞C，實(shí)驗(yàn)得到的抗磨損性能是A＞B＞C，驗(yàn)證了WC含量越高其耐磨性能越強(qiáng)。