劉偉　唐煒

摘要：為了改造地層，提高油田采收率及采油速度，進(jìn)行酸化、壓裂作業(yè)是重要措施之一。壓裂井口裝置作為酸化、壓裂施工過程中重要的井控設(shè)備，在施工過程中對(duì)井口風(fēng)險(xiǎn)管控起到了關(guān)鍵作用。通過研究目前國(guó)產(chǎn)壓裂井口裝置使用中存在的問題，采用彈簧致動(dòng)密封圈提高嚴(yán)苛工況下的密封效果，采用等離子噴焊等先進(jìn)生產(chǎn)工藝有效改善其性能，提高使用壽命，采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)閥門，有效的減小閘閥開啟和關(guān)閉的扭矩力，使操作人員能手動(dòng)開啟大口徑平板閘閥，以上措施有效提高壓裂井口裝置的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境保護(hù)效益。

關(guān)鍵詞：壓裂井口裝置;等離子噴焊;滾珠絲杠;

1技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)研究目標(biāo)

1.1技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)壓裂作業(yè)均采用國(guó)產(chǎn)壓裂井口裝置，主要生產(chǎn)廠家有寶石機(jī)械、渤海裝備、重慶新泰、道森等。主要技術(shù)現(xiàn)狀如下：

（1）部分國(guó)產(chǎn)廠商雖能生產(chǎn)KL180-140壓裂井口裝置，但現(xiàn)場(chǎng)使用表明，閥門的結(jié)構(gòu)不具備防砂功能，容易出現(xiàn)閘閥開關(guān)困難、甚至砂堵現(xiàn)象。

（2）閥板、閥座密封面均采用超音速噴涂工藝，密封面物理結(jié)合，容易脫落，導(dǎo)致密封失效。

1.2改進(jìn)研究目標(biāo)

（1）優(yōu)化閥座與閥體之間的密封結(jié)構(gòu)，防止加砂壓裂過程中壓裂砂進(jìn)入閥腔內(nèi)，保證平板閘閥密封可靠，滿足現(xiàn)場(chǎng)加砂壓裂的工況。

（2）增強(qiáng)閥板、閥座在壓裂施工過程中的耐腐蝕、抗沖刷能力，從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

（3）優(yōu)化滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，降低施工現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)平板閘閥的勞動(dòng)強(qiáng)度。

以上改進(jìn)如果全部實(shí)現(xiàn)，將很大的延長(zhǎng)平板閘閥的有效使用壽命，降低現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度和安全生產(chǎn)成本，具有可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2高壓力、大通徑平板閘閥結(jié)構(gòu)

高壓力、大通徑平板閘閥主要由閥體、閥蓋、閥板、閥座、閥桿、尾桿、護(hù)板、

3零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1閥座密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在閥門處于全開和全關(guān)狀態(tài)時(shí)，閥板與閥座始終貼合，阻斷了壓裂液中的砂礫進(jìn)入上、下兩個(gè)閥腔的通道，保證了平板閘閥的密封和正常開關(guān)。

3.1.1閘板與閥座之間多采用金屬對(duì)金屬壓力自緊式浮動(dòng)密封[1]，按照結(jié)構(gòu)不同，可分為后座密封和前座密封。從現(xiàn)場(chǎng)使用中閘閥砂堵嚴(yán)重的現(xiàn)象分析，因?yàn)楝F(xiàn)有平板閘閥采用的后座密封結(jié)構(gòu)形式（圖4），閘閥在使用過程中，閥腔內(nèi)始終充滿流體介質(zhì)，從而容易造成砂堵，因此將閥座密封由后座密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化為前座密封結(jié)構(gòu)形式（圖5）。

3.1.2優(yōu)化波形彈簧安裝形式。優(yōu)化后閥座采用前座密封設(shè)計(jì)，該密封形式為軸向密封，低壓狀態(tài)下需給予閥座軸向的預(yù)緊力使其始終貼合閥板以達(dá)到密封效果。以往波形彈簧安裝后是與流體直接接觸，在加砂壓裂的過程中，壓裂砂就不可避免的進(jìn)入波形彈簧槽，當(dāng)壓裂砂沉積過多后，對(duì)波形彈簧的預(yù)緊力性能造成影響，使得閥座不能始終貼合閥板從而閥門進(jìn)砂，因此，對(duì)波形彈簧安裝槽也進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后波形彈簧不再與流體直接接觸，從而有效的保證了彈簧性能，防止壓裂砂進(jìn)入閘閥腔體。

3.1.3安裝防砂護(hù)板，在閥座與閥板之間安裝防砂護(hù)板，防砂護(hù)板的安裝能有效的防止閥門在開關(guān)過程中，防止因閥板與閥座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的間隙而進(jìn)砂。

3.2閥板、閥座焊接工藝優(yōu)化

閥板、閥座采用等離子噴焊。自熔合金噴焊層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，在提高材料表面抗腐蝕、抗磨損、耐高溫性能等方面受到廣泛重視[2]。優(yōu)化前PFF130-105平板閘閥的閥板、閥座密封面均采用噴涂工藝，耐蝕層厚度僅為0.15-0.2mm，涂層與基體機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度僅為5-50MPa，耐腐蝕、抗沖刷能力弱，在施工過程中涂層易被沖蝕從而造成閥門密封失效，進(jìn)而閥腔進(jìn)砂。為解決此問題，對(duì)閥板、閥座焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)閥板、閥座密封面采用等離子噴焊耐蝕合金，焊層厚度可達(dá)1.5-2.0mm，并采用正確的研磨方法、速度及磨料，不得出現(xiàn)刀痕劃傷等缺陷[3]，結(jié)果表明，采用該工藝制備的涂層與基體呈冶金結(jié)合，大大延長(zhǎng)了零部件的使用壽命[4]。

3.3滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、閥門手輪的優(yōu)化

采用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)。滾珠絲桿副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械原件，起作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。其傳動(dòng)效率高達(dá)90%～98%，傳動(dòng)靈敏平穩(wěn)。滾珠絲杠副為點(diǎn)接觸滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，此結(jié)構(gòu)可降低開關(guān)力矩，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，加大閥門手輪，將開關(guān)力矩降低20%的同時(shí)，還增強(qiáng)了手輪的可靠性。

4平板閘閥閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究

4.1三維建模及有限元分析

平板閘閥閥體（30CrMo）承受介質(zhì)產(chǎn)生的表面壓力載荷，以設(shè)計(jì)壓力的1.5倍（即：介質(zhì)壓力為210MPa）計(jì)算閥體強(qiáng)度，建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與評(píng)價(jià)，分析結(jié)果表明閥體結(jié)構(gòu)可滿足強(qiáng)度要求。

4.2平板閘閥閥體加工工藝流程

鍛坯→退火處理→粗加工各部→超聲波探傷→熱處理→半精加工→堆焊墊環(huán)槽→加工墊環(huán)槽→檢驗(yàn)探傷（合格后進(jìn)行下步工序）→精加工各部→檢驗(yàn)試壓（液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍）→合格后轉(zhuǎn)平板閘閥組裝線→平板閘閥組裝→檢測(cè)試壓→合格后轉(zhuǎn)井口組裝線。

5研究改進(jìn)的效益價(jià)值

以130-105井口分配器為例，分配器上有4套130-105平板閘閥。在未改進(jìn)前，因波形彈簧位置進(jìn)砂，導(dǎo)致閘板無法開關(guān)，需關(guān)井泄壓，派專人檢修，從而耽誤現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)度和增大現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度。而且每套井口分配器因平板閘閥本體沖蝕嚴(yán)重，平板閘閥的使用壽命只有900-960小時(shí)。

以上研究改進(jìn)均已應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，從現(xiàn)場(chǎng)使用的情況反應(yīng)，基本達(dá)到了研究的目標(biāo)。波型彈簧安裝方式投入使用后，現(xiàn)場(chǎng)很少出現(xiàn)閘板開關(guān)困難的情況?，F(xiàn)已使用約450小時(shí)，對(duì)平板閘閥解體檢修，發(fā)現(xiàn)平板閘閥本體完好無損傷。增加了平板閘閥的使用壽命，降低了安全生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳振華，王云，周多三，等.Al-Fe-V-Si系快速凝固耐熱粉末鋁合金的制備和研究[J].粉末冶金技術(shù)，1991，9（4）：194-198.

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