NiTi形狀記憶合金封隔器密封件的研制

安少云姚九成智 勇

（1.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德 067000；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所，湖北荊州 434000）

NiTi形狀記憶合金封隔器密封件的研制

安少云1姚九成1智 勇2

（1.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德 067000；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所，湖北荊州 434000）

提出了用NiTi形狀記憶合金制造井下封隔器的密封件替代傳統(tǒng)橡膠密封件，完成了形狀記憶合金密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了形狀記憶合金密封件的性能實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了具體分析。實(shí)驗(yàn)證明，NiTi形狀記憶合金密封件承壓能力高，坐封力大，解封力較小，密封效果良好，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠密封。

NiTi形狀記憶合金；封隔器；密封件；應(yīng)用

形狀記憶合金是一種特殊合金材料，其具有的形狀記憶效應(yīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展［1］。記憶合金的成分不同，其形狀記憶效應(yīng)及其他性能也各不相同。采用形狀記憶合金材料來(lái)制造油井封隔器中的密封件，替代傳統(tǒng)橡膠密封件，能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)使用壽命，降低施工操作難度，進(jìn)而大大降低鉆井采油生產(chǎn)的成本與能耗。本研究應(yīng)用的NiTi形狀記憶合金，與橡膠相比，具有性能穩(wěn)定可靠、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。將其制作成封隔器密封件，工作時(shí)密封件受力發(fā)生變形，外力除去后，其變形幾乎能夠完全恢復(fù)。

1 NiTi形狀記憶合金封隔器密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用NiTi形狀記憶合金所研制的封隔器由動(dòng)力坐封器、密封系統(tǒng)、丟手總成3部分組成。主要起密封作用的封隔器密封系統(tǒng)由記憶合金密封件、錐體、套管組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。丟手總成由釋放套、夾頭體、彈簧爪、拉桿組成。

圖1 記憶合金封隔器密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，動(dòng)力坐封器將大小相等方向相反的兩個(gè)機(jī)械力通過(guò)坐封套、拉桿的傳遞，分別作用在錐體和套管上，使得錐體相對(duì)于記憶合金密封件向下運(yùn)動(dòng)，將合金密封件脹大，從而密封于套管上，當(dāng)機(jī)械力達(dá)到一定值時(shí)，釋放套被拉斷，丟手總成工作，完成坐封。生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束時(shí)，可通入低溫液體或氣體使得封隔器工作溫度下降到低溫狀態(tài)，這樣記憶合金密封件在管壁壓力和其他零件的拉力共同作用下，發(fā)生形狀恢復(fù)，順利從井筒中取出。

2 NiTi形狀記憶合金密封件性能實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 NiTi形狀記憶合金密封件密封性能實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)所用的NiTi形狀記憶合金采用非真空感應(yīng)爐熔煉制造，制造的密封件內(nèi)徑為 60 mm，擴(kuò)孔率為7% ，配合間隙0.1 mm。

在實(shí)驗(yàn)室里自行設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易油壓實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行密封效果測(cè)試。將密封件裝入到實(shí)驗(yàn)裝置中，模擬現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，進(jìn)行管道連接密封性實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前密封件與管路內(nèi)壁已經(jīng)發(fā)生了記憶效應(yīng)），實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

（1）使用砂紙將NiTi形狀記憶合金密封件和模擬井管與密封件配合部位打磨到適當(dāng)?shù)拇植诙取?/p>

（2）將密封膠（環(huán)氧樹(shù)脂與丁酸已脂2∶ 1混合物），在電爐上加熱熔融成黏稠狀，均勻涂抹在配合部位和端口，然后將密封件與管壁連接，固化5 min。

（3）加熱爐升溫到 200 ℃ ，將固化后的聯(lián)結(jié)體放進(jìn)爐子保溫 15 min，取出冷卻。此時(shí)，密封件已經(jīng)完成馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，密封件形狀回復(fù)到高溫記憶形狀，完成密封件與管道的密封連接過(guò)程。

（4）取出聯(lián)結(jié)體，將聯(lián)結(jié)體安裝到簡(jiǎn)易油壓實(shí)驗(yàn)裝置中，注油，加壓。每上升 1 MPa 恒壓5 min，一直加壓到密封件所在部位出現(xiàn)滲漏為止，試壓結(jié)果是 39 MPa時(shí)開(kāi)始滲漏，可見(jiàn)，當(dāng)壓力≤38 MPa時(shí)，能保持密封，不滲漏。而工程中一般要求封隔器密封件與油井管道耐壓為 15～35 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形狀記憶合金密封件可用于油井中的管道部位的密封，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)封隔器中的橡膠筒或皮碗密封。

NiTi形狀記憶合金密封件，其記憶效應(yīng)是應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變和馬氏體逆相變（轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體）的必然結(jié)果，這種形狀記憶合金密封件其內(nèi)徑平均變形量為6%［2］，形狀恢復(fù)率也是同類金屬中的佼佼者。NiTi形狀記憶合金密封件在井下牢牢箍緊了井管，并在接觸處產(chǎn)生塑性變形，使記憶合金密封件與管壁具有一定的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及良好的密封性，如果進(jìn)一步將密封件和聯(lián)結(jié)管內(nèi)壁的粗糙度降低，橢圓度降低，或者在密封件與聯(lián)結(jié)管間添加技術(shù)先進(jìn)的黏結(jié)劑，密封性與聯(lián)結(jié)強(qiáng)度可望進(jìn)一步提高。

2.2 常溫下不同預(yù)變形度對(duì)NiTi形狀記憶合金密封件恢復(fù)率的影響

密封體的單向恢復(fù)率

式中，a為密封件的原始內(nèi)徑；b為密封件在外力作用下發(fā)生變形后的內(nèi)徑；c為恢復(fù)母相后的密封件內(nèi)徑。

將記憶合金密封件在室溫狀態(tài)擴(kuò)孔，在200 ℃的加熱爐中加熱，分別測(cè)出a、b、c值，計(jì)算出單向恢復(fù)率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同壁厚記憶合金密封件的恢復(fù)率

從表1可以看出：常溫下記憶合金密封件的預(yù)變形度為1.5%時(shí)，單向恢復(fù)率最大。這是因?yàn)槌仡A(yù)變形度過(guò)大時(shí)，記憶合金中的馬氏體中出現(xiàn)大量的孿晶，在局部區(qū)域同時(shí)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，導(dǎo)致馬氏體失去了熱彈性，形狀記憶效果被破壞，隨之導(dǎo)致金屬密封件失去了密封效果。而在常溫預(yù)變形度過(guò)小時(shí)，晶體的擇優(yōu)取向很不完全，因此其恢復(fù)率也較?。?］。所以只有在適當(dāng)預(yù)變形度下密封件的恢復(fù)率才最大。在常溫預(yù)變形度相等的情況下，薄壁記憶合金密封件的單向恢復(fù)率比厚壁密封件的大一些，這是因?yàn)楹癖诿芊饧诔財(cái)U(kuò)孔時(shí)內(nèi)層與外層的形變差異較大，內(nèi)外層相互制約，使恢復(fù)母相時(shí)內(nèi)徑收縮更加困難［4］。

2.3 NiTi形狀記憶合金密封件模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

目前，冀東油田所用的幾種橡膠密封材料封隔器，部分技術(shù)參數(shù)為：上壓20～30 MPa，下壓10～15 MPa，坐封力60～150 kN，解封力30～100 kN。對(duì)于封隔器而言，坐封力是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在采油生產(chǎn)過(guò)程中，由于封隔器經(jīng)常遇到高壓差的情形，所以需要較大的坐封力，保證其密封性能并防止封隔器發(fā)生提前解封，但坐封力過(guò)大則有可能破壞密封橡膠，導(dǎo)致密封失效，同時(shí)過(guò)大的坐封力可能導(dǎo)致解封困難，所以坐封力必須合理選擇。

根據(jù)采油生產(chǎn)實(shí)際對(duì)封隔器功能的要求，本次選用Ni含量為54.6%的NiTi形狀記憶合金密封件進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用Ni含量為54.6%的NiTi形狀記憶合金密封件時(shí)，封隔器的坐封力可以達(dá)到310 kN，從而保證良好的密封效果；而解封力為95 kN，相對(duì)較小，解封容易；同時(shí)其承壓可達(dá)38 MPa，承壓能力較高，完全能滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。和普通橡膠密封件封隔器相比，NiTi形狀記憶合金密封件封隔器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)密封性能實(shí)驗(yàn)研究表明，在高性能粘結(jié)劑的輔助下，NiTi形狀記憶合金密封件的密封性能非常突出，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)密封承壓可達(dá)到38 MPa，能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

（2）采用NiTi形狀記憶合金制造的密封件，常溫預(yù)變形度為1.5%時(shí)，單向恢復(fù)率最大。在常溫預(yù)變形度相等的情況下，薄壁記憶合金密封件的單向恢復(fù)率比厚壁密封件的大一些。

（3）NiTi形狀記憶合金封隔器在坐封力、解封力、承壓能力上都優(yōu)于普通橡膠密封件封隔器。

［1］ISMAIl M,RODELLAR J,IKHOUANE F.An innovative isolation device for aseismie design［J］.Engineering Struetures 2010,32（4）：1168-1183.

［2］張麗娟，趙廣民，趙粉霞，等.Y241型封隔器分壓管柱可靠性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（7）：25-28.

［3］鄭金中，陳偉，張國(guó)玉.ZYY341-80型封隔器的研制［J］.石油機(jī)械，2011，38（1）：48-50.

［4］楊建斌，杜習(xí)廣.ZYY341-80型封隔器的研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（6）：70-73.

（修改稿收到日期 2014-06-30）

〔編輯 付麗霞〕

Development of packer seal with NiTi shape memory alloy

AN Shaoyun1,YAO Jiucheng1,ZHI Yong2
（1.Chengde Advanced Petroleum College,Chengde067000,China;2..Jianghan Mechanical Institute,CNPC Drilling Research Institute,Jingzhou434000,China）

This paper presents idea that packer seal made of NiTi shape memory alloy can replace traditional rubber seal.The structural design of seal with shape memory alloy has been completed.Experiments were conducted on functions of the seal with shape memory alloy,and results of the experiments were analyzed specifically.The experiments prove that seal with NiTi shape memory alloy has high pressure bearing ability,powerful setting force and small releasing force,and has excellent sealing performance.Therefore,it can replace traditional rubber seal.

NiTi shape memory alloy;packer;sealing component;application

安少云，姚九成，智勇.NiTi形狀記憶合金封隔器密封件的研制［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：123-125.

TE22

：B

1000–7393（2014）04–0123–03

10.13639/j.odpt.2014.04.031

河北省科技支撐項(xiàng)目“應(yīng)用鎳鈦智能材料研制開(kāi)發(fā)高性能油井封隔器”（編號(hào)：10215149）。

安少云，1964年生。承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械系，副教授。通訊作者：姚久成，電話：13932460993。