聶海濱,于興勝,岳 蘇,羅西超

(北京石油機械廠,北京100083)

旋塞閥密封失效機理分析與改進

聶海濱,于興勝,岳 蘇,羅西超

(北京石油機械廠,北京100083)

針對現(xiàn)場使用的方鉆桿旋塞閥主要存在旋鈕處刺漏、高壓下閥芯轉(zhuǎn)不動等問題,對方鉆桿旋塞閥的失效原因和受力情況進行了分析,并進行了結(jié)構(gòu)改進,具有推廣應用價值。

旋塞閥;失效分析;結(jié)構(gòu)改進

方鉆桿旋塞閥分為上旋塞閥和下旋塞閥,安裝在水龍頭和方鉆桿之間,是一種防止鉆井液噴濺、改善鉆井工作條件、防止井噴事故發(fā)生的鉆柱內(nèi)防噴工具,在鉆井工程中已得到廣泛應用?，F(xiàn)場使用的旋塞閥有些沒有達到預期的使用效果,存在旋鈕處刺漏、高壓下閥芯轉(zhuǎn)不動等問題。本文從旋塞閥的結(jié)構(gòu)、密封失效機理分析,提出了工藝改進方案。

1 結(jié)構(gòu)

目前,國內(nèi)外常用的旋塞閥結(jié)構(gòu)基本相似,主要由閥體、上下閥座、球體、旋鈕、擋圈、彈簧等組成,旋塞閥本體都采用整體式機構(gòu),側(cè)面開有旋鈕孔,如圖1。

圖1 方鉆桿旋塞閥結(jié)構(gòu)

2 失效分析

根據(jù)鉆井現(xiàn)場反饋的情況,方鉆桿旋塞閥有旋轉(zhuǎn)失效、密封失效和閥體失效3種失效形式[1],這3種失效形式最終歸結(jié)為密封失效。

2.1 旋轉(zhuǎn)失效

旋塞閥是依靠閥芯與閥座金屬接觸實現(xiàn)密封。閥芯和閥座的幾何精度要求非常高,是旋塞閥的核心部件。操作手柄和手柄套是旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行部件,是旋塞閥的關(guān)鍵部件。產(chǎn)生旋塞閥轉(zhuǎn)動失效的直觀現(xiàn)象有5種。

a) 閥芯與閥座之間的摩擦力矩過大。b) 閥芯或閥座發(fā)生嚴重銹蝕。c) 閥座發(fā)生嚴重的塑性變形。

d) 閥芯與閥座之間卡住固體顆粒。

e) 操作手柄關(guān)閉不到位。

根據(jù)以上現(xiàn)象,可以分析出方鉆桿旋塞閥轉(zhuǎn)動失效的原因[2]。

a) 閥芯與閥座之間的表面強化鍍層的自潤滑性能、表面強化硬度、鍍層與金屬的結(jié)合強度等有待提高。

b) 受到流體沖蝕使鍍層發(fā)生銹蝕和脫落。

c) 受力不均勻使閥芯和閥座產(chǎn)生變形。

d) 泥漿過濾不好,含有砂礫。

e) 閥芯與閥座之間由于關(guān)閉不到位,造成泥漿射流,金屬密封面被沖蝕磨損。

f) 由于閥芯和閥座失效,使旋塞閥的操作手柄旋轉(zhuǎn)關(guān)閉困難,因而旋塞閥達不到使用要求。

2.2 密封失效

2.2.1 密封和失效形式

方鉆桿旋塞閥有金屬壓力動密封、橡膠密封圈靜密封、橡膠密封圈動密封3種密封形式。

a) 金屬壓力動密封 是指閥芯與閥座之間依靠波形彈簧和泥漿壓力形成的金屬密封。其失效表現(xiàn)為在開關(guān)過程中密封面遭到破壞。

b) 橡膠密封圈靜密封 用于防止旋塞閥內(nèi)漏和手柄套處刺出泥漿。其失效表現(xiàn)為由于橡膠密封圈出現(xiàn)打卷或切圈現(xiàn)象造成內(nèi)漏和將閥體密封面刺出溝痕。

c) 橡膠密封圈動密封 用于操作手柄在高壓運動情況下密封住高壓泥漿。其失效表現(xiàn)為在旋轉(zhuǎn)運動過程中,由于密封圈切圈造成泄漏。

旋塞閥密封結(jié)構(gòu)如圖2。旋塞閥低壓密封壓力為1.7 MPa,高壓額定密封壓力為70 MPa,依靠閥座傳遞給閥芯的壓力實現(xiàn)金屬密封,而產(chǎn)生金屬密封壓力的來源一個是波形彈簧產(chǎn)生的彈力,通過閥座作用到閥芯;另一個是通過泥漿或井噴產(chǎn)生的壓力,通過閥芯作用到閥座上。

2.2.2 失效原因

a) 旋塞閥在帶壓作業(yè)過程中關(guān)閉不嚴,泥漿等流體會產(chǎn)生射流,破壞金屬密封表面。

b) 旋塞閥裝配過程中出現(xiàn)橡膠密封圈打卷、切傷等現(xiàn)象。

c) 由于操作旋轉(zhuǎn)手柄時受力不均,對橡膠動密封局部產(chǎn)生過大擠壓力。

圖2 方鉆桿旋塞閥密封結(jié)構(gòu)

金屬動密封和橡膠靜密封及橡膠動密封是旋塞閥作用的核心,密封失效就意味著旋塞閥不能再繼續(xù)使用。

2.3 閥體失效

由于方鉆桿旋塞閥受力復雜,不僅會受到鉆柱拉力的作用,而且還受到旋轉(zhuǎn)扭矩的作用,是引起閥體開裂破壞的主要原因。閥體材料缺陷也是引起失效的重要原因。

3 密封失效機理分析

3.1 閥芯與閥座金屬動密封失效

旋塞閥的閥芯與閥座金屬表面發(fā)生破壞的形式有塑性變形、摩擦磨損、射流沖蝕等。

3.1.1 塑性變形

閥芯與閥座金屬密封是靠2個零件擠壓產(chǎn)生擠壓微變形,形成對流體的密封。在工作過程中承受高壓、摩擦和交變載荷的反復作用,加上因工作面溫度瞬時升高而產(chǎn)生塑性變形,使密封面破壞。

3.1.2 磨擦磨損

擠壓過程中出現(xiàn)的磨損方式表現(xiàn)為熱疲勞磨損、機械磨損、氧化腐蝕磨損以及由泥漿中硬雜物引起的磨料磨損,使金屬密封表面產(chǎn)生溝槽。

3.1.3 射流沖蝕[3]

閥芯和閥座沒有完全關(guān)閉嚴實,在閥芯和閥座之間有縫隙,泥漿在縫隙處形成高壓、高速流體,再加上塑性變形和摩擦磨損,引起閥芯和閥座密封表面被流體沖蝕破壞,如圖3。

3.2 金屬密封帶接觸應力計算[1-4]

閥芯受力如圖4,閥座與閥球接觸面為一球臺面A A′B′B,設(shè)球半徑為 R,球臺的對稱軸為 x軸,球臺面A A′B′B上2個極限位置點A、B與x軸負向的夾角分別為α1和α2,且有CC′=A A′,如圖5。

圖3 由磨損引起的閥芯沖蝕

圖4 閥芯受力

圖5 球臺微元

在x方向應用微元法,受力平衡方程為

故有

由上式可以看出,設(shè)計時應盡量提高閥芯與閥座的接觸面積,減少應力集中;制造過程中應提高閥芯和閥座的精度,使金屬密封面接觸充分。

4 工藝和設(shè)計改進[5]

4.1 表面處理

操作手柄和手柄套是執(zhí)行閥芯旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵部件。在手柄套和閥體之間有橡膠靜密封,在操作手柄和手柄套之間有橡膠動密封(如圖2)。由于操作手柄在旋轉(zhuǎn)過程中有偏置作用,使操作手柄和手柄套之間金屬產(chǎn)生摩擦,金屬表面發(fā)生壓潰,因此表面需要做強化處理。

通過現(xiàn)場應用試驗,采用QPQ表面處理,使操作手柄和手柄套表面強化硬度達到700 HV以上,能夠大幅度提高其表面的耐磨性和抗蝕性,而工件幾乎不發(fā)生變形,減少橡膠密封破損的幾率,提高密封的使用壽命。

4.2 閥體結(jié)構(gòu)增加圓角

為了避免在裝配過程中閥芯和閥座以及各密封件被劃傷,在閥體設(shè)計中應大量采用圓角過渡,使密封件在裝配過程中不易損傷,提高密封裝配質(zhì)量和密封使用壽命。

4.3 潤滑脂

改進前使用的是普通鈣基潤滑脂,高壓耐磨性差,粘附性差,試驗后基體上的潤滑脂幾乎全部被沖掉。改進后采用性能卓越的高級潤滑脂,具有超強的粘著性,能在潤滑表面形成一層潤滑膜,防止金屬與金屬接觸,降低工作溫度,在潤滑的同時還能防水、防腐蝕,試驗后潤滑脂全部被保留在基體上。

5 試驗結(jié)果分析

對改進后的70 MPa旋塞閥進行了1 500次密封壽命試驗,試驗結(jié)果表明,開關(guān)力矩始終保持在設(shè)計值范圍之內(nèi),如圖6～7;各密封件未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象,如圖8。

圖6 70 MPa旋塞閥開啟力矩曲線

圖7 70 MPa旋塞閥關(guān)閉力矩曲線

圖8 1 500次試驗后的70 MPa旋塞閥密封件

6 結(jié)論

1) 密封失效是影響旋塞閥壽命的主要原因。

2) 金屬表面采用QPQ表面處理,能提高表面的耐磨性和抗蝕性;密封件結(jié)構(gòu)采用過渡圓角,能提高密封裝配質(zhì)量;采用耐高溫潤滑脂,經(jīng)1 500次壽命試驗,密封性能良好。

3) 在渤海鉆探某井隊使用旋塞閥2 000 h以上,沒有出現(xiàn)異常。

[1] 謝 娟,王德玉,李才良,等.方鉆桿旋塞閥的失效與受力分析[J].石油礦場機械,2007,36(12):49-51.

[2] 王世宏,馮耀榮.方鉆桿上部旋塞閥失效及其改進建議[J].研究與探討,1993,13(7):1-6.

[3] 楊代蓉,姜春堂.頂驅(qū)鉆機內(nèi)防噴閥存在問題及改進意見[J].河南石油,2004,18(6):80-81.

[4] 陳 浩,宋周成,王曉萍,等.方鉆桿旋塞閥的失效分析[J].天然氣工業(yè),2007,27(12):80-82.

[5] 朱衛(wèi)新,羅 勇,陳 彬,等.方鉆桿旋塞閥工藝改進設(shè)計[J].石油礦場機械,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

聶海濱(1980-),男,山西壽陽人,工程師,2002年畢業(yè)于中國石油大學(華東),主要從事井下工具技術(shù)管理工作,E-mail:jeanswest6013@sina.com。