克深氣田“三超”氣井采氣樹配件的研發(fā)及應用

劉文超 馬 群 潘 旭 宋曉俊 徐鵬海 王珠峰

（中國石油塔里木油田公司克拉油氣開發(fā)部，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

克深氣田是塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶上的一個裂縫性致密砂巖氣田，具有地層壓力超高（≥120 MPa）、埋藏超深（≥6 000 m）、地層溫度超高（≥165 ℃）的特點，屬于典型的“三超”氣田，為應對超高壓、超高溫、高產(chǎn)的生產(chǎn)工況，井口采氣裝置多為進口的WOM 78-78／140采氣樹。隨著克深氣田的全面開發(fā)，井口裝備服役時間加長，加之氣田出砂、出水等極為復雜的生產(chǎn)工況，導致采氣井口諸多閥門均存在不同程度的內(nèi)漏與外漏現(xiàn)象，每年克深氣田僅內(nèi)漏閥門的數(shù)量就高達100只，成為高壓氣井生產(chǎn)中一項重要的安全隱患。由于WOM采氣樹完全依靠進口，國內(nèi)未生產(chǎn)該型號采氣樹配件，配件采購周期長、價格昂貴，嚴重制約采氣樹隱患治理進度，影響了單井的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，制約了氣田的高效開發(fā)。

1 采氣樹閥門失效原因分析

1.1 閥門的主要失效模式

根據(jù)國內(nèi)外資料及現(xiàn)場調(diào)研可知，閥門常見的失效模式為腐蝕、磨損及密封件老化。針對克深區(qū)塊，腐蝕主要是電化學腐蝕，磨損主要是沖蝕磨損、粘著磨損、腐蝕磨損，密封盤根老化、鼓泡、永久變形［1］。上述失效模式主要造成以下兩種失效形勢，一是閘板被刺壞或閘板被介質(zhì)腐蝕等導致密封面失效而使閥門內(nèi)漏；二是閥門的閥桿盤根密封處密封圈老化、閥蓋與閥體連接處密封失效等導致的閥門外漏［2］。

1.2 閥門失效的原因分析

眾所周知，井口裝置的腐蝕主要為化學腐蝕和硫化物應力腐蝕，由于克深氣田不含有硫化氫，造成腐蝕的因素主要為化學腐蝕。通過對現(xiàn)場采氣樹閥門調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)閘板基板與表面噴焊層有明顯的分界線（圖1），生產(chǎn)過程中，氣流對此分界線不斷沖刷，導致表面噴焊層脫落，同時CO2分壓溶解于金屬表面的水膜中而形成電解質(zhì)液，最終造成閥門的電化學腐蝕損壞。

圖1 閘板基板與表面噴焊層有明顯的分界線圖

采氣樹閥門是由執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥桿，閥桿帶動閥板，實現(xiàn)閘板的上下運動，從而使閥門開和關(guān)?？松顓^(qū)塊氣井井口壓力均在70 MPa 以上，采氣樹閥門關(guān)閉時，一端承受高壓，另一端壓力很低或無壓，因而造成局部應力很高，將會產(chǎn)生嚴重的塑性變形并牢固地粘附，在相對運動時產(chǎn)生切應力，因粘合部位材質(zhì)等級較低，零件表面形成了粗糙凹坑；其次，在閥門開關(guān)過程中，高速流體沖蝕閘板、閥座，使這些零件工作表面產(chǎn)生了宏觀上順著氣流方向的蝕槽、深溝（圖2）。

圖2 閥板閥座磨損失效圖

采氣樹配件中密封盤根較為薄弱，為易損件。由于盤根與閥桿的相對運動產(chǎn)生磨損，環(huán)境溫度變化引起老化，加之盤根處在高應力條件下工作，極易引起盤根失效。密封盤根的老化主要是因為使用時間較長，溫度較高所致。由于溫度變化，使本來處于高應力下的盤根產(chǎn)生了附加溫度應力，使其疲勞，加速老化，低溫使其彈性恢復差，產(chǎn)生裂紋并變脆，形成永久變形（圖3）。

圖3 密封盤根老化變形圖

通過對采氣樹閥門失效的研究和分析，確定了以閥板與閥座密封面腐蝕、磨損及閥桿盤根密封失效機理為問題導向，進行研究，從優(yōu)選耐磨硬質(zhì)合金噴涂工藝，閥板、閥座材質(zhì)及非金屬密封材料優(yōu)化升級三個方面開展研究工作。

2 優(yōu)選耐磨硬質(zhì)合金噴涂工藝及材料

2.1 金屬密封面常用噴涂材料及噴涂方法

金屬密封面噴涂材料除對強度、腐蝕性能等要求外，還對密封面材料硬度有著很高的要求，其主要原因是金屬密封面需要承受相應的密封比壓，以防止金屬密封面發(fā)生塑性變形和被壓潰等現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時硬度還與金屬密封面的耐磨能力有關(guān)。因此在設計閘板閥時，一般會在金屬密封面噴焊Ni-Cr-B-Si系自熔合金粉或硬質(zhì)合金WC等材料。

目前常用的硬質(zhì)合金涂層方法有以下幾種：物理氣相沉積法（PVD）、化學氣相沉積法（CVD）、等離子體化學氣相沉積法（PCVD）、氧乙炔火焰噴涂（焊）、高速火焰熱噴涂（HVOF）、等離子噴涂、溶膠-凝膠法、鹽浴侵鍍法、等離子噴涂、低壓火焰沉積（LPFD）等［3-7］，其中高速火焰噴涂（HVOF），或稱超音速火焰噴涂，因優(yōu)點為可噴涂的材料較多，同時由于其在制備過程中火焰含氧量較少溫度適中，焰流速度很高，能有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解，因此這種方法特別適合碳化物類涂層的噴涂。

因此將選擇對閘板閥金屬密封面采用高速火焰噴涂的方法，分別對閘板閥金屬密封面噴焊材料FZ?Ni-35 和噴涂硬質(zhì)合金WC 進行對比研究。噴涂表面如圖4所示。

圖4 硬質(zhì)合金噴涂表面圖

2.2 噴涂材質(zhì)摩擦系數(shù)測量

摩擦系數(shù)測量方式主要分為3種形式：平面摩擦系數(shù)測量法、斜面摩擦系數(shù)測量法和擺式摩擦系數(shù)測量法。筆者采用平面摩擦系數(shù)測量法對噴涂材料摩擦系數(shù)進行測量。運用BRUKER 多功能微納壓痕測試儀，分別選取金屬密封面噴焊材料FZNi-35以及硬質(zhì)合金WC進行試驗對比，對材料摩擦系數(shù)測量兩次取平均值。實驗測得兩種材料的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 噴涂材料摩擦系數(shù)測量數(shù)據(jù)圖

材料FZNi-35 合金第一組實驗動摩擦系數(shù)為0.128 3，第二組實驗動摩擦系數(shù)為0.127 58，平均值為0.127 94；材料硬質(zhì)合金WC 第一組實驗動摩擦系數(shù)為0.076 48，第二組實驗動摩擦系數(shù)為0.087 31，平均值為0.081 895。對比發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金WC的動摩擦系數(shù)遠小于FZNi-35合金的動摩擦系數(shù)。

2.3 噴焊材料受力性能分析

在閥門開關(guān)過程中，雖然閥板、內(nèi)閥座、閥體間存在裝配時的預緊力，但與密封面間的摩擦力以及閥桿端面的推力相比，數(shù)值較小，故忽略不計。在壓力一定的情況下，若忽略盤根密封因壓力變化影響，閘板閥的開關(guān)扭矩則取決于閥板與閥座間的摩擦力，即金屬密封面的摩擦系數(shù)將會直接影響閘板閥開啟扭矩的大小。當閥板處于浮動狀態(tài)前瞬間，即閥門的開啟或關(guān)閉瞬間，所需的扭矩最大。

閘板閥閥桿采用29°ACME 梯形螺紋，其梯形螺紋扭矩T與軸向力Fa的關(guān)系為

式中，T為梯形螺紋扭矩，N · mm；Fa為軸向力，N；d為螺紋中徑，mm；γ為導程角，（°）；ρv為當量摩擦角，f為螺紋表面滑動摩擦系數(shù)，無因次；α為螺紋牙形半角，（°）。

式中，μ為密封表面摩擦系數(shù)，無因次；FN為閥板表面總支持力，N；

當同一閥門在相同的工況條件下，除金屬密封表面涂層不同，其他結(jié)構(gòu)完全一致時，聯(lián)立公式（1）（2）（3）可得螺紋扭矩T與摩擦系數(shù)μ的關(guān)系為

公式（4）中的中括號結(jié)果為常數(shù)，則螺紋扭矩T與摩擦系數(shù)μ之間為線性關(guān)系，由第二節(jié)測得的實驗數(shù)據(jù)知，F(xiàn)ZNi-35 合金的動摩擦系數(shù)是硬質(zhì)合金WC的動摩擦系數(shù)的1.56倍，即閥門開關(guān)力矩FZNi-35合金是硬質(zhì)合金WC的1.56倍，因此，選取合適的金屬密封面噴涂材料是降低動摩擦系數(shù)及閘板閥開關(guān)力矩的重要因素。

2.4 噴焊材料耐磨性能研究

用Co元素作為粘結(jié)相，研究不同Ni含量的硬質(zhì)合金的耐磨性能，選擇了下述3 種不同的硬質(zhì)合金（表1）。

表1 三種硬質(zhì)合金材料成分表

按試樣材料的種類分為3組，采用MLS-225型濕砂橡膠輪磨損試驗機開展試驗，每組試驗用一個橡膠輪，試驗完成后更換橡膠輪與砂漿，以保證試驗條件相同。每個試樣共運轉(zhuǎn)12 000轉(zhuǎn)，12 000轉(zhuǎn)后磨損痕跡如圖6 所示，每2 400 轉(zhuǎn)作為一個測點，用5個測點繪制磨損曲線（圖7）。

圖6 3種材料運轉(zhuǎn)12 000轉(zhuǎn)后磨損痕跡圖

圖7 3種材料磨損量與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系曲線圖

由試驗結(jié)果可知，A材料在任何轉(zhuǎn)數(shù)下磨損量最小，材料耐磨性最好，閘板閥金屬密封面噴涂材料應優(yōu)選A材料。

2.5 高低壓氣壓檢測試驗

將噴涂好的閥板、閥座以及其他零部件完整裝配在140 MPa的閘板閥閥體上，并對閘板閥進行氣壓測試實驗。第一次為高壓氣密封實驗，由0逐漸加壓至70 MPa，在70 MPa穩(wěn)壓3 min，在無泄漏的前提下繼續(xù)加壓至140 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降為0.97 MPa≤2.0 MPa；第二次為低壓實驗，由0 升壓至2.5 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降為0.14 MPa≤0.2 MPa，兩次實驗均無可見氣泡產(chǎn)生，密封成功驗證了密封表面金屬涂層WC的合理性。

3 優(yōu)選閥板、閥座硬質(zhì)合金材質(zhì)

克深氣田氣井井口壓力均在70 MPa 以上，存在出砂、出水等現(xiàn)象，生產(chǎn)工況極為復雜，根據(jù)現(xiàn)場使用情況判斷，現(xiàn)用閥門的材質(zhì)等級相對較低，不能滿足生產(chǎn)需要。對閥板、閥座材質(zhì)優(yōu)化也是提高閥門耐沖蝕關(guān)鍵所在。

通過大量文獻調(diào)研，Inconel718高溫鎳基合金表面形成致密的鈍化膜作為阻隔層，減緩了基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而有效保護了基體，具有優(yōu)良耐腐蝕性能及加工性能，根據(jù)住友公司和NKK 公司選材圖［8-10］，Inconel 718 高溫鎳基合金耐腐蝕，強度高，能滿足復雜工況下油氣井的開采的要求?；诖耍瑢Σ蓺鈽涞拈y板及閥座的材質(zhì)進行優(yōu)化，用Inc?onel 718高溫鎳基合金代替原來12Cr13。

從表2對比看出，Inconel 718材料的性能全面高于12Cr13 材料，加工成零件后使用壽命和性能會高于進口配件。

表2 12Cr13與Inconel 718材料性能對比

4 非金屬密封材料優(yōu)化升級

目前，常用的密封盤根材質(zhì)多為四氟材料，四氟材料具有耐溫、耐腐蝕、耐摩擦、不粘附等性能，但在承受壓力高、溫度變化幅度大、閥門開關(guān)頻繁等工況下，密封盤根使用壽命大幅度降低［11］，為提高密封盤根的使用壽命，選擇在純的四氟材料里面添加石墨、玻纖等進行改性，通過對改性后的四氟材料理論分析、計算機模擬計算、實物工況試驗等手段驗證（圖8），在常溫、121 ℃高溫、-46 ℃低溫等狀況下均能滿足140 MPa密封的要求。改性后的四氟材料增加了強度，提高了密封等級；降低了摩擦系數(shù)，提升了耐磨性能。

圖8 密封材料仿真模擬

5 應用效果

所研制的“三超”氣井采氣樹配件截至目前已應用了12井次，平均使用壽命達到了424 d，使用壽命顯著提高。配件國產(chǎn)化成功應用，解決了進口配件價格昂貴，廠家技術(shù)服務響應慢，關(guān)鍵技術(shù)受制他人等問題。配件采購周期縮短80%，極大提高了現(xiàn)場生產(chǎn)隱患的處置效率。

6 結(jié)論

1）通過閥板、閥座材質(zhì)優(yōu)化改進、硬質(zhì)合金材料和噴涂工藝優(yōu)選、非金屬密封材料改進三方面研究，生產(chǎn)制造的閥門平均使用壽命為424 d，使用壽命得到顯著提升。

2）通過高速火焰噴涂（HVOF）對閘板閥進行噴涂，對Ni 基合金與硬質(zhì)合金WC 摩擦系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，WC摩擦系數(shù)遠低于Ni合金。由于摩擦系數(shù)影響到閘板閥開關(guān)力矩，從摩擦系數(shù)考慮金屬密封面噴涂材料優(yōu)先考慮噴涂硬質(zhì)合金WC。

3）實驗發(fā)現(xiàn)當硬質(zhì)合金中Ni 元素的含量越高時，硬質(zhì)合金腐蝕程度越低。對備選的三種硬質(zhì)合金WC 進行磨損實驗發(fā)現(xiàn)材料中WC 含量A＞B＞C，實驗得到的抗磨損性能是A＞B＞C，驗證了WC含量越高其耐磨性能越強。