方鉆桿旋塞閥磨損失效的技術(shù)研究

江曉東

西部鉆探吐哈鉆井公司 新疆鄯善 838200

1 方鉆桿旋塞閥的磨損失效形式

根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)際跟蹤調(diào)研，方鉆桿旋塞閥經(jīng)常出現(xiàn)以下的磨損失效形式：①方鉆桿旋塞閥的本體出現(xiàn)了裂紋，甚至發(fā)生斷裂現(xiàn)象；②方鉆桿旋塞閥閥芯以及閥座密封面被損壞，閥座有大量的刺痕；③方鉆桿旋塞閥閥芯的表面被刮傷；④在服役的過程中產(chǎn)生表面局部腐蝕，出現(xiàn)局部的點(diǎn)蝕，蝕坑以及晶間腐蝕；⑤方鉆桿旋塞閥閥芯的密封表面嚴(yán)重發(fā)生腐蝕，閥座密封面嚴(yán)重腐蝕。

2 分析方鉆桿旋塞閥的磨損失效

2.1 沖蝕磨損

由于攜帶到流體介質(zhì)中的固體顆粒以一定速度與材料表面碰撞而引起的材料損壞現(xiàn)象稱為腐蝕磨損，并且泥漿沖刷的機(jī)械作用主要是高流速和多相流動(dòng)。誘導(dǎo)剪切應(yīng)力和壓力變化[1]。固體顆粒的沖擊可導(dǎo)致閥芯的內(nèi)壁表面和閥體的內(nèi)壁表面的破裂損壞和塑性變形，同時(shí)，多孔膜的電解腐蝕會(huì)加速磨損，并且閥芯的內(nèi)表面被粗糙化以形成最有害的流動(dòng)條件-在腐蝕過程中的湍流。通過分析和總結(jié)了以下影響因素。

（1）泥漿侵蝕率的大小和方向。通常認(rèn)為侵蝕磨損率E與速度V2-3成比例。也就是說，即使發(fā)生沖擊或爆裂，鉆桿中的流速也會(huì)迅速增加，這也會(huì)導(dǎo)致腐蝕磨損。速度也會(huì)增加，這會(huì)對(duì)閥芯和閥體表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，從而導(dǎo)致開裂甚至破損。在較低的侵蝕角下，隨著侵蝕角（入射角）增加，侵蝕速率也相對(duì)增加。因此，當(dāng)泥漿以不同的侵蝕角度沖擊閥體時(shí)，閥體的內(nèi)表面可能經(jīng)歷不同程度的劃痕或裂縫。

（2）材料的侵蝕延展性。材料的侵蝕延展性是材料在侵蝕過程中反復(fù)變形而不破裂的能力。材料的延展性對(duì)侵蝕磨損具有顯著影響。在腐蝕過程中，閥體材料的延展性直接影響方鉆桿旋塞閥的磨損率。材料的延展性越大，閥體材料的侵蝕角度越小，反之亦然，但延展性降低后閥體材料的侵蝕角度將增大。我們目前所用旋塞閥材料主要是低碳鋼和低合金鋼，其延展性相對(duì)較小，在侵蝕過程中難以承受沖擊變形磨損，并且材料的腐蝕磨損率增大[2]。

（3）泥顆粒的組成和大小。在腐蝕磨損過程中，每個(gè)都有相應(yīng)的軟磨料磨損區(qū)，硬磨料磨損區(qū)和磨損率轉(zhuǎn)換區(qū)。當(dāng)泥-固-液兩相流被侵蝕時(shí)發(fā)生選擇性腐蝕磨損，低硬度相和高硬度相的反復(fù)碰撞導(dǎo)致部分散裝材料從表面突出并且消失。

2.2 腐蝕磨損

腐蝕性磨損是在摩擦過程中和周圍介質(zhì)環(huán)境中由材料中的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)引起的表面損壞。腐蝕磨損是一種磨損過程，考慮到環(huán)境介質(zhì)的影響，并且是材料腐蝕和磨損的組合。旋塞閥中常見的腐蝕類型是二氧化碳（CO2）腐蝕和硫化氫（H2S）腐蝕。

（1）CO2腐蝕最典型的特征是局部點(diǎn)腐蝕，編織腐蝕和臺(tái)面腐蝕，CO2腐蝕過程是一系列化學(xué)反應(yīng)過程和傳質(zhì)過程的結(jié)果，主要產(chǎn)物是FO。因?yàn)镺3形成并沉積在電極上。

（2）H2S腐蝕。它主要來源于H2S在下層硫酸鹽層的形成井中的形成裂縫，并且通過產(chǎn)物中的一些不溶性硫化物，可以在酸性條件下產(chǎn)生H2S。旋塞閥的內(nèi)部的特征在于由化學(xué)反應(yīng)中陽極鐵的溶解引起的鐵溶解厚度的減小，以及諸如點(diǎn)蝕的局部腐蝕損壞。

3 pH的影響

隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速率逐漸增加，這加速了腐蝕速率。如果pH值為酸性，則整個(gè)系統(tǒng)處于腐蝕性磨損或嚴(yán)重腐蝕性磨損區(qū)域，并發(fā)生腐蝕。隨著pH值的降低，腐蝕磨損變得更加嚴(yán)重，腐蝕磨損呈指數(shù)增加[3]。旋塞閥是低碳鋼材料，在運(yùn)行過程中會(huì)腐蝕，pH值對(duì)材料腐蝕的影響不隨pH值的增加而變化。因此，在低pH環(huán)境中，不僅促進(jìn)了旋塞閥腐蝕，而且還不利地影響了旋塞閥的壽命。隨著沖擊強(qiáng)度增加，方鉆桿旋塞閥的膜損壞程度和表面電化學(xué)活性增加并且磨損率增加，漿料的侵蝕速率決定了材料表面上的機(jī)械作用強(qiáng)度。強(qiáng)度降低，磨損也增加。

H2S/CO2的一般腐蝕作用。H2S/CO2共存時(shí)的腐蝕比單獨(dú)存在兩種氣體時(shí)復(fù)雜得多，兩種氣體參與腐蝕反應(yīng)的陰極過程，兩種氣體強(qiáng)烈互動(dòng)腐蝕磨損和腐蝕磨損的綜合影響極大地加速了機(jī)器部件的失效。失效率不是簡(jiǎn)單磨損和簡(jiǎn)單腐蝕的代數(shù)和，而是這個(gè)代數(shù)和的倍數(shù)，甚至是10倍[4]。這種組合的相互作用大大加速了旋塞閥材料的消耗并導(dǎo)致大的磨損。綜合故障影響因素和故障類型可以通過各種影響因素來控制，以改善處理的材料：

3.1 控制鉆井液的pH

由于鉆井液的pH值可以提高到10或更高，即使發(fā)生井涌溢流也會(huì)有效抑制本體及閥芯的腐蝕。因此有機(jī)腐蝕抑制劑可以延緩腐蝕的進(jìn)程。

3.2 選擇性地添加硫去除劑

通過添加硫去除劑，可以通過化學(xué)反應(yīng)將硫化物有效地轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的惰性物質(zhì)，從而減少磨損。

在材料選擇中，如元素鉻可以選擇耐CO腐蝕元素的材料。通過內(nèi)表面的熱處理可以增加內(nèi)表面的硬度。

4 結(jié)語

方鉆桿塞閥的磨損主要是由腐蝕磨損和腐蝕失效引起的。一般其失效受到幾個(gè)因素的影響，例如侵蝕速率，鉆井液的pH，鉆井液的成分和使用溫度。因此適當(dāng)控制各種影響因素，對(duì)旋塞閥的使用壽命非常有用。從而進(jìn)一步提高方鉆桿旋塞閥在防噴器中的可靠性方面發(fā)揮其重要作用。