旋塞阀密封失效机理分析与改进

聂海滨,于兴胜,岳 苏,罗西超

(北京石油机械厂,北京100083)

旋塞阀密封失效机理分析与改进

聂海滨,于兴胜,岳 苏,罗西超

(北京石油机械厂,北京100083)

针对现场使用的方钻杆旋塞阀主要存在旋钮处刺漏、高压下阀芯转不动等问题,对方钻杆旋塞阀的失效原因和受力情况进行了分析,并进行了结构改进,具有推广应用价值。

旋塞阀;失效分析;结构改进

方钻杆旋塞阀分为上旋塞阀和下旋塞阀,安装在水龙头和方钻杆之间,是一种防止钻井液喷溅、改善钻井工作条件、防止井喷事故发生的钻柱内防喷工具,在钻井工程中已得到广泛应用。现场使用的旋塞阀有些没有达到预期的使用效果,存在旋钮处刺漏、高压下阀芯转不动等问题。本文从旋塞阀的结构、密封失效机理分析,提出了工艺改进方案。

1 结构

目前,国内外常用的旋塞阀结构基本相似,主要由阀体、上下阀座、球体、旋钮、挡圈、弹簧等组成,旋塞阀本体都采用整体式机构,侧面开有旋钮孔,如图1。

图1 方钻杆旋塞阀结构

2 失效分析

根据钻井现场反馈的情况,方钻杆旋塞阀有旋转失效、密封失效和阀体失效3种失效形式[1],这3种失效形式最终归结为密封失效。

2.1 旋转失效

旋塞阀是依靠阀芯与阀座金属接触实现密封。阀芯和阀座的几何精度要求非常高,是旋塞阀的核心部件。操作手柄和手柄套是旋转运动的执行部件,是旋塞阀的关键部件。产生旋塞阀转动失效的直观现象有5种。

a) 阀芯与阀座之间的摩擦力矩过大。b) 阀芯或阀座发生严重锈蚀。c) 阀座发生严重的塑性变形。

d) 阀芯与阀座之间卡住固体颗粒。

e) 操作手柄关闭不到位。

根据以上现象,可以分析出方钻杆旋塞阀转动失效的原因[2]。

a) 阀芯与阀座之间的表面强化镀层的自润滑性能、表面强化硬度、镀层与金属的结合强度等有待提高。

b) 受到流体冲蚀使镀层发生锈蚀和脱落。

c) 受力不均匀使阀芯和阀座产生变形。

d) 泥浆过滤不好,含有砂砾。

e) 阀芯与阀座之间由于关闭不到位,造成泥浆射流,金属密封面被冲蚀磨损。

f) 由于阀芯和阀座失效,使旋塞阀的操作手柄旋转关闭困难,因而旋塞阀达不到使用要求。

2.2 密封失效

2.2.1 密封和失效形式

方钻杆旋塞阀有金属压力动密封、橡胶密封圈静密封、橡胶密封圈动密封3种密封形式。

a) 金属压力动密封 是指阀芯与阀座之间依靠波形弹簧和泥浆压力形成的金属密封。其失效表现为在开关过程中密封面遭到破坏。

b) 橡胶密封圈静密封 用于防止旋塞阀内漏和手柄套处刺出泥浆。其失效表现为由于橡胶密封圈出现打卷或切圈现象造成内漏和将阀体密封面刺出沟痕。

c) 橡胶密封圈动密封 用于操作手柄在高压运动情况下密封住高压泥浆。其失效表现为在旋转运动过程中,由于密封圈切圈造成泄漏。

旋塞阀密封结构如图2。旋塞阀低压密封压力为1.7 MPa,高压额定密封压力为70 MPa,依靠阀座传递给阀芯的压力实现金属密封,而产生金属密封压力的来源一个是波形弹簧产生的弹力,通过阀座作用到阀芯;另一个是通过泥浆或井喷产生的压力,通过阀芯作用到阀座上。

2.2.2 失效原因

a) 旋塞阀在带压作业过程中关闭不严,泥浆等流体会产生射流,破坏金属密封表面。

b) 旋塞阀装配过程中出现橡胶密封圈打卷、切伤等现象。

c) 由于操作旋转手柄时受力不均,对橡胶动密封局部产生过大挤压力。

图2 方钻杆旋塞阀密封结构

金属动密封和橡胶静密封及橡胶动密封是旋塞阀作用的核心,密封失效就意味着旋塞阀不能再继续使用。

2.3 阀体失效

由于方钻杆旋塞阀受力复杂,不仅会受到钻柱拉力的作用,而且还受到旋转扭矩的作用,是引起阀体开裂破坏的主要原因。阀体材料缺陷也是引起失效的重要原因。

3 密封失效机理分析

3.1 阀芯与阀座金属动密封失效

旋塞阀的阀芯与阀座金属表面发生破坏的形式有塑性变形、摩擦磨损、射流冲蚀等。

3.1.1 塑性变形

阀芯与阀座金属密封是靠2个零件挤压产生挤压微变形,形成对流体的密封。在工作过程中承受高压、摩擦和交变载荷的反复作用,加上因工作面温度瞬时升高而产生塑性变形,使密封面破坏。

3.1.2 磨擦磨损

挤压过程中出现的磨损方式表现为热疲劳磨损、机械磨损、氧化腐蚀磨损以及由泥浆中硬杂物引起的磨料磨损,使金属密封表面产生沟槽。

3.1.3 射流冲蚀[3]

阀芯和阀座没有完全关闭严实,在阀芯和阀座之间有缝隙,泥浆在缝隙处形成高压、高速流体,再加上塑性变形和摩擦磨损,引起阀芯和阀座密封表面被流体冲蚀破坏,如图3。

3.2 金属密封带接触应力计算[1-4]

阀芯受力如图4,阀座与阀球接触面为一球台面A A′B′B,设球半径为 R,球台的对称轴为 x轴,球台面A A′B′B上2个极限位置点A、B与x轴负向的夹角分别为α1和α2,且有CC′=A A′,如图5。

图3 由磨损引起的阀芯冲蚀

图4 阀芯受力

图5 球台微元

在x方向应用微元法,受力平衡方程为

故有

由上式可以看出,设计时应尽量提高阀芯与阀座的接触面积,减少应力集中;制造过程中应提高阀芯和阀座的精度,使金属密封面接触充分。

4 工艺和设计改进[5]

4.1 表面处理

操作手柄和手柄套是执行阀芯旋转运动的关键部件。在手柄套和阀体之间有橡胶静密封,在操作手柄和手柄套之间有橡胶动密封(如图2)。由于操作手柄在旋转过程中有偏置作用,使操作手柄和手柄套之间金属产生摩擦,金属表面发生压溃,因此表面需要做强化处理。

通过现场应用试验,采用QPQ表面处理,使操作手柄和手柄套表面强化硬度达到700 HV以上,能够大幅度提高其表面的耐磨性和抗蚀性,而工件几乎不发生变形,减少橡胶密封破损的几率,提高密封的使用寿命。

4.2 阀体结构增加圆角

为了避免在装配过程中阀芯和阀座以及各密封件被划伤,在阀体设计中应大量采用圆角过渡,使密封件在装配过程中不易损伤,提高密封装配质量和密封使用寿命。

4.3 润滑脂

改进前使用的是普通钙基润滑脂,高压耐磨性差,粘附性差,试验后基体上的润滑脂几乎全部被冲掉。改进后采用性能卓越的高级润滑脂,具有超强的粘着性,能在润滑表面形成一层润滑膜,防止金属与金属接触,降低工作温度,在润滑的同时还能防水、防腐蚀,试验后润滑脂全部被保留在基体上。

5 试验结果分析

对改进后的70 MPa旋塞阀进行了1 500次密封寿命试验,试验结果表明,开关力矩始终保持在设计值范围之内,如图6～7;各密封件未发现异常现象,如图8。

图6 70 MPa旋塞阀开启力矩曲线

图7 70 MPa旋塞阀关闭力矩曲线

图8 1 500次试验后的70 MPa旋塞阀密封件

6 结论

1) 密封失效是影响旋塞阀寿命的主要原因。

2) 金属表面采用QPQ表面处理,能提高表面的耐磨性和抗蚀性;密封件结构采用过渡圆角,能提高密封装配质量;采用耐高温润滑脂,经1 500次寿命试验,密封性能良好。

3) 在渤海钻探某井队使用旋塞阀2 000 h以上,没有出现异常。

[1] 谢 娟,王德玉,李才良,等.方钻杆旋塞阀的失效与受力分析[J].石油矿场机械,2007,36(12):49-51.

[2] 王世宏,冯耀荣.方钻杆上部旋塞阀失效及其改进建议[J].研究与探讨,1993,13(7):1-6.

[3] 杨代蓉,姜春堂.顶驱钻机内防喷阀存在问题及改进意见[J].河南石油,2004,18(6):80-81.

[4] 陈 浩,宋周成,王晓萍,等.方钻杆旋塞阀的失效分析[J].天然气工业,2007,27(12):80-82.

[5] 朱卫新,罗 勇,陈 彬,等.方钻杆旋塞阀工艺改进设计[J].石油矿场机械,2009,38(3):85-87.

Analysis on Seal Failure and Improvement of Kelly Valve

NIE Hai-bin,YU Xing-sheng,YUE Su,LUO Xi-chao
(Beijing Petroleum Machinery Factory,Bejing100083,China)

According to the problems that drilling fluid was occasionally leaking and valve corecould not be rotated when Kelly valves were operated under high pressure on oilfield site,various causes of failure were analyzed,and load conditions were researched.Through structural improvements and manufacturing improvement,the theoretical basis for operating Kelly valves for the oilfield use can be provided.

kelly valve;failure analysis;structure improvement

1001-3482(2010)04-0053-04

TE921.203

A

2009-10-30

聂海滨(1980-),男,山西寿阳人,工程师,2002年毕业于中国石油大学(华东),主要从事井下工具技术管理工作,E-mail:jeanswest6013@sina.com。