方形鉆桿旋塞閥是鉆具中的一種防噴裝置。在鉆井過(guò)程中，方形鉆桿旋塞閥通常處于開(kāi)啟狀態(tài)，被高壓流體沖刷、腐蝕和磨損，并在溢流井涌等特殊情況下關(guān)閉閥門(mén)。旋塞閥關(guān)閉時(shí)的密封性能和重啟方便性是長(zhǎng)期存在的一個(gè)大問(wèn)題。密封故障，閥體咬是長(zhǎng)期困擾油田生產(chǎn)的主要問(wèn)題[1-4]。
   影響旋塞閥密封性能的因素很多，合理選擇形成密封系統(tǒng)的閥球和閥座材料是防止密封系統(tǒng)過(guò)早失效、延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵之一。本文旨在研究和設(shè)計(jì)密封閥球和閥座實(shí)際使用條件所需的物理力學(xué)性能TiC以下簡(jiǎn)稱(chēng)基硬質(zhì)合金TiC合金)用材料代替常用的鋼材。
   1 設(shè)計(jì)思路與實(shí)驗(yàn)
   根據(jù)使用分析，球體與閥座之間的密封是金屬與金屬之間的密封。目前，球體與閥座的材料通常是碳鋼、不銹鋼、司太立等，但旋塞閥在使用中容易出現(xiàn)：⑴球體及閥座磨損過(guò)快或塑性變形導(dǎo)致密封不嚴(yán)，液體泄漏[1，3-5]，⑵由于粘附磨損和冷焊效應(yīng)，球體和閥座在高壓下咬傷，閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)[2]。根據(jù)閥門(mén)的設(shè)計(jì)要求[6]，方桿旋塞閥體和閥座的材料必須具有良好的耐腐蝕性、耐磨性和足夠的韌性。有鑒于此，我們認(rèn)為閥球和閥座的材料應(yīng)具有盡可能高的硬度和剛度，并具有優(yōu)異的耐腐蝕性和滿(mǎn)足使用的韌性。因此，我們認(rèn)為T(mén)iC合金材料可能是一種理想的選擇。因?yàn)椋裕═i，W）C-Ni Co Cr為主成分的TiC合金具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性，彈性模量高于鋼，化學(xué)穩(wěn)定性高，可有效防止粘附磨損和冷焊效果，Ti元素還具有自潤(rùn)滑作用，可降低表面摩擦系數(shù)，減少旋塞閥在關(guān)閉和打開(kāi)過(guò)程中的阻力，操作方便。
   1.1 試樣制備
   選擇本文TiC，WC，Ni，Co，Cr及TaC原料粉末均為市售產(chǎn)品。將上述原料按下表1的成分配比，采用濕磨法（濕磨介質(zhì)為己烷）球磨、漿料過(guò)濾、干燥、、制備混合物，然后壓制成型，壓力燒結(jié)制備6×7×20（mm）規(guī)格和9×13×36（mm）物理力學(xué)性能試驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)分別進(jìn)行。選用常用的閥件材料司太立和YG對(duì)比硬質(zhì)合金。見(jiàn)表1。

表1wt.%

   1.2 性能測(cè)試
   1.2.1 物理力學(xué)性能測(cè)試
   本文所有性能測(cè)試均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。AEL-200密度測(cè)試儀采用排水法測(cè)試樣品密度HRS-采用150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣品硬度HS-100KN采用牛頓液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗彎強(qiáng)度LEICADMI5000M金相顯微鏡觀察檢測(cè)組織孔隙度及采用FORSTER-KOERZIMAT磁力儀檢測(cè)試樣的矯頑磁力，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 實(shí)驗(yàn)材料及對(duì)比材料的物理力學(xué)性能

   1.2.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)
   腐蝕實(shí)驗(yàn)的樣品加工成8.4±0.02×12±0.02×35.4±0.02（mm）所有試樣的表面光潔度都達(dá)到了矩形樣塊Ra0.2.每組3個(gè)樣品分別使用HCl(濃度20%)，H2SO(濃度15%)，HNO3.NaOH溶液濃度為50%℃在溫度下浸泡腐蝕24小時(shí)，用蒸餾水沖洗，比較各樣品的重量損失，比較常用球閥材料司太立合金[7]（StelliteAlloy）常用的密封環(huán)材料YG8硬質(zhì)合金[8]。NaOH溶液中的所有樣品均無(wú)明顯反應(yīng)，浸泡一天后，樣品質(zhì)量無(wú)明顯變化，其他溶液中的試驗(yàn)結(jié)果列于下表3-5：

表3 樣品20%HCl溶液中50℃腐蝕24小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

表4 試樣15%H2SO4溶液中50℃腐蝕24小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

5表5 試樣15%HNO3溶液中50℃腐蝕24小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

表6 各種材料試樣性能測(cè)試結(jié)果

   2 結(jié)果與討論
   將實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)列表如下表6所示，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的柱狀圖，如圖1所示。

圖1 各種材料樣品在各種溶液中的腐蝕

   實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TiC合金除在HNO3中的腐蝕率略高于司太立合金，其他條件下的腐蝕率遠(yuǎn)低于司太立合金WC硬質(zhì)合金及司太立材料。
   從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，新開(kāi)發(fā)的三個(gè)品牌TiC合金硬度極高，抗磨粒磨損性能優(yōu)異，抗彎強(qiáng)度1700Mpa根據(jù)文獻(xiàn)[4]的分析，本文進(jìn)行了設(shè)計(jì)TiC合金強(qiáng)度足以滿(mǎn)足使用要求。從圖1可以直觀地看出，TiC合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，遠(yuǎn)優(yōu)于常用的密封材料和球閥材料。
   TiC合金硬度高，屬于硬脆性材料，彈性模量大，高壓下不易塑性變形。選擇硬度相對(duì)較低的材料T20做閥座材料，硬度比較高T10和T30制作球體，使用球閥和球體。在高壓下，球體壓入閥座，產(chǎn)生輕微的彈性變形，形成有效的密封帶。壓力去除后，閥座彈性變形恢復(fù)TiC合金材料的主要成分是化學(xué)穩(wěn)定性高的碳化物，密切接觸時(shí)不易擴(kuò)散冷焊，具有良好的抗粘性和磨損性。因此，鋼閥體不會(huì)經(jīng)常發(fā)生咬。
   3 總結(jié)
   本文研究設(shè)計(jì)的TiC具有以下優(yōu)點(diǎn)：
   (1)硬度高，耐磨性好，能有效延長(zhǎng)閥體的使用壽命；
   (2)強(qiáng)度高，能完全滿(mǎn)足球閥的使用要求，安全系數(shù)足夠大；
   (3)耐腐蝕性好，幾乎不被堿性溶液腐蝕，在酸性溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，腐蝕率遠(yuǎn)低于球閥和密封材料；
   （4）TiC合金主要成分化學(xué)穩(wěn)定性高，合金彈性模量大，剛度好。在高壓下，球體壓入球座時(shí)不易發(fā)生塑性變形和擴(kuò)散冷焊，可有效解決閥體咬死、無(wú)法開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。
   參考文獻(xiàn)
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   [3]陳浩、宋周成、王曉萍等.方鉆桿旋塞閥的失效分析[J].2007年，2007，27(12)~82.
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   [5]肖曉華、朱海燕、劉清友等.方鉆桿旋塞閥故障樹(shù)的建立和分析[J].2009年機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，4):31~33.
   [6]陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京；機(jī)械工業(yè)出版社；.2004.
   [7]API.SpecificationforSubsurfaceSuckerRodPumpsandFittings[M].API.2006.
   [8]ASM.PropertiesandSelection：Irons，Steels，andHighPerformanceAlloys[M].ASMInternational，1990.