高壓節流閥的沖蝕磨損機理及其激光熔覆再制造

薄紀康

寧波職業技術學院,寧波,315800

高壓節流閥的沖蝕磨損機理及其激光熔覆再制造

薄紀康

寧波職業技術學院,寧波,315800

為獲取高壓節流閥的沖蝕磨損機理并解決其現場應用中的閥芯局部損傷修復問題,進行了高壓節流閥的沖蝕磨損試驗。在分析沖蝕磨損現象和形貌的基礎上，提出了高壓節流閥閥芯的沖蝕磨損機理。為恢復高壓節流閥閥芯的服役性能，采用鐵基合金粉末進行了閥芯的激光熔覆再制造，恢復了閥芯的形狀尺寸。再制造閥芯的沖蝕磨損試驗結果表明,激光熔覆再制造可恢復高壓節流閥的服役性能。

高壓節流閥;沖蝕磨損;激光熔覆再制造；鐵基合金粉末

0　引言

高壓節流閥是石油和天然氣開采中的特殊專用設備，用于調節由井底返回的鉆井液壓力，并向井底提供適當的回壓以平衡地層壓力,防止井涌、井噴等事故的發生[1-2]。高壓節流閥的損壞往往會造成災難性的后果,因此對其可靠性和安全性要求極高。高壓節流閥的工作特點決定其經常承受高壓沖擊，承受的壓力載荷最高可超過100 MPa。沖蝕磨損是高壓節流閥的主要失效形式[3]。而高壓節流閥的工作條件惡劣,含有大量固體顆粒的高速流體對閥芯形成沖蝕破壞,造成了很大的安全隱患。

目前,高壓節流閥被國外壟斷，價格高、供貨周期長，國產高壓節流閥在使用過程中沖蝕磨損失效嚴重，因此延長高壓節流閥的使用壽命具有重要的應用價值。高壓節流閥往往因閥芯的沖蝕磨損導致泄漏事故，進行整體更換會大幅增加成本，降低工作效率。高壓節流閥閥芯的局部磨損、沖蝕等損傷的修復，一直是高壓節流閥現場應用面臨的技術難題，目前對高壓節流閥的有效修復技術尚未見公開報道。激光再制造技術是一種全新概念的先進修復技術，不僅可使損傷的零部件恢復外形尺寸，還可以使其使用性能達到甚至超過新品的水平，其成本約為新品的50%，并可節能60%、節材70%，是重大工程裝備修復新的發展方向[4-5]。激光再制造具有修復精度高、速度快等優點，能緩解資源緊張與資源浪費，減小失效或報廢產品對環境的危害[6],創造巨大的經濟效益和環保效益。

本文以一種國產高壓節流閥為研究對象，進行了高壓節流閥的沖蝕磨損試驗，分析了閥芯的沖蝕磨損機理，并對閥芯進行了激光熔覆再制造的對比試驗研究。

1　高壓節流閥沖蝕磨損失效機理

1.1高壓節流閥的結構與工作原理

高壓節流閥是一種多級降壓、高壓差調節閥，適用于高溫、高壓及高壓差下的節流和截止，可用于控制含有固體顆粒流體的流量和壓力，其結構如圖1所示。該高壓節流閥由噴嘴、閥芯、節流軸、閥體、閥桿等組成，采用閥座噴嘴、籠形閥套節流軸結構，具有多級節流功能，節流壓差大。噴嘴裝置在閥座下端，閥芯設置有平衡孔，閥芯套開設有節流孔。閥芯與閥座采用雙質密封副將密封部位與節流部位分開，形成前后三級節流。

圖1　石油鉆井用高壓節流閥

閥芯在閥桿提升力作用下，上移打開閥芯套節流孔時,流體被噴嘴和節流軸節流后進入閥座內腔，再通過閥芯套開孔部位與閥芯端部的圓柱面形成的節流孔排出。

高壓節流閥的額定工作壓力可達85 MPa。使用過程中,高壓節流閥開關頻繁，閥芯經常受到沖擊和液體的循環作用,易出現疲勞磨損失效。節流過程中，高速流體對閥芯形成沖蝕作用，導致閥芯的沖蝕磨損失效。

1.2高壓節流閥的沖蝕磨損試驗

高壓節流閥的工作環境惡劣,承受的工作壓力很大,同時受到40～50 m/s高速流體的循環沖擊。含有大量固體顆粒的高速流體不斷沖刷高壓節流閥的閥芯，使其受到沖蝕磨損，因而沖蝕磨損是高壓節流閥正常工作下失效的主要形式[3]。

為確定高壓節流閥的失效機理和失效數據,進行了高壓節流閥的沖蝕磨損試驗。試驗模擬高壓節流閥在實際工況下的沖蝕磨損行為。試驗采用鉆井現場取樣的固液混合物，固體顆粒直徑d為0.1～0.3 mm。試驗在自制的液壓沖蝕試驗臺上進行，流速為50 m/s的固液混合物通過高壓泵泵送入高壓節流閥。沖蝕磨損試驗持續進行15 h,每小時進行1次閥芯的稱重和觀察，稱重前用無水乙醇超聲清洗閥芯并吹干；采用精密電子天平測定閥芯的沖蝕磨損質量損失，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察閥芯表面的沖蝕磨損形貌。

為更進一步表征磨損量，采用沖蝕磨損率來表征閥芯的耐磨性。沖蝕磨損率可分為累積沖蝕磨損率和單位時間沖蝕磨損率，累積沖蝕磨損率W為

(1)

式中,m0為閥芯的初始質量;m′為測量時的閥芯質量;qm為固液混合物的質量流量;t為沖蝕時間。

單位時間沖蝕磨損率E為

(2)

式中,m1、m2分別為每次沖蝕前后的質量。

1.3高壓節流閥的沖蝕磨損機理

圖2所示為閥芯沖蝕質量損失隨時間變化的曲線。由圖2可見,0～5 h內,閥芯質量損失較小，且變化率也較小,此階段為穩定磨損階段。5 h后,閥芯沖蝕的質量損失急劇增大,變化率也較大,此階段為快速磨損階段。由圖2的數據分析可知,0～5 h內閥芯的磨損量較小,但隨著時間推移,閥芯表面強度因磨損而減弱,在固液兩相流的沖刷作用下,磨損區域迅速擴散，閥芯后期的質量損失大于前期的質量損失，說明閥芯后期的磨損較大。高壓節流閥的實際使用中，應在沖蝕5 h后關注閥芯的磨損情況。

圖2　閥芯沖蝕質量損失

由式(2)可知,單位時間沖蝕磨損率E與閥芯沖蝕質量損失m1-m2成正比,因而其變化趨勢類似于圖2所示曲線的變化趨勢。

5 h時的閥芯沖蝕磨損SEM照片如圖3所示，此時的閥芯已有一定的剝蝕，但磨損表面相對平整，質地相對緊密,表面強度并無大的變化。15 h時的閥芯沖蝕磨損SEM照片如圖4所示，此時的剝蝕已相當嚴重，閥芯表面材料大幅脫落，表面有微裂紋和凹坑，說明閥芯表面裂紋已進入不穩定擴展階段[7-8]。

圖3　5 h時的閥芯沖蝕磨損SEM照片

圖4　15 h時的閥芯沖蝕磨損SEM照片

閥芯累積沖蝕磨損率如圖5所示。由圖5可見,累積沖蝕磨損率在0～6 h內變化較為明顯，此時處于快速磨損階段。該階段的沖蝕磨損率受到表面缺陷、表面平整度及表層材料在沖擊載荷作用下發生調整等因素的顯著影響[4]，閥芯表面的裂紋處于起始萌生階段。6 h后進入裂紋穩定擴展階段,裂紋和凹坑同步擴展。

圖5　閥芯累積沖蝕磨損率

閥芯的沖蝕磨損具有復雜的機理和形成過程。在閥芯受到固液混合物高壓作用時，固體粒子對閥芯表面造成沖擊，使得閥芯表面分離出磨屑,閥芯表面形成剝離現象;脆性固體粒子沖擊閥芯表面后發生碎裂，碎裂后的固體粒子碎片還會對閥芯產生第2次沖擊,即二次沖蝕。因此，根據沖蝕磨損的二次沖蝕理論，閥芯的沖蝕磨損分為2個階段：固體粒子直接沖擊形成的第1次沖蝕磨損、碎裂后的粒子造成的第2次沖蝕。同時,固液混合物成分復雜,對閥芯材料有一定的腐蝕作用,閥芯表面被沖蝕破壞后，閥芯材料將很快發生剝離，閥芯進入快速磨損階段(如圖2的5 h后的曲線所示),裂紋和凹坑也將以很快的速度擴展。

2　高壓節流閥激光熔覆再制造

本文采用激光熔覆技術進行高壓節流閥閥芯的再制造研究，基體為沖蝕磨損后的高壓節流閥閥芯。沖蝕磨損后的閥芯用砂紙打磨以去除氧化層，然后用丙酮溶液清洗后烘干并預熱至420℃。激光熔覆材料為鐵基合金粉末,粒度為-150～300目。鐵基合金粉末的化學成分的質量分數如表1所示。試驗前，對粉末進行真空烘干處理，以去除粉末表面吸附的水分。

表1　鐵基合金粉末化學成分的質量分數　%

試驗采用Nd:YAG固體激光器，利用數控系統控制工作臺及激光器，并采用氮氣保護。采用直接熔覆方式，即鐵基合金粉末直接送入激光束中，同步完成供料和熔覆，熔覆后自然冷卻。激光熔覆再制造的激光器功率為1 kW,激光光斑直徑為2 mm,保護氣體流量為1.2 m3/h,熔覆層厚度為0.4 mm。

閥芯進行激光熔覆再制造后的表面形貌如圖6所示,橫截面形貌如圖7所示。由圖6可以看出，熔覆層表面質地緊密平整。探傷結果表明，熔覆層表面未發現裂紋和氣孔等缺陷。由圖7可見，基體與熔覆層之間無裂紋、氣孔等缺陷，界面處具有較窄的灰色結合帶，這表明閥芯基體和鐵基合金粉末之間形成了良好的冶金結合。閥芯外形與尺寸的測量結果表明，激光熔覆再制造能恢復其原始形狀與尺寸。

圖6　激光熔覆再制造后的表面形貌

圖7　激光熔覆再制造后的橫截面形貌

3　高壓節流閥激光再制造抗磨損性能試驗

為驗證高壓節流閥激光再制造的沖蝕磨損性能，進行了激光再制造后的抗磨損性能試驗，試驗條件與前文條件相同,得到的閥芯沖蝕質量損失和累積沖蝕磨損率如圖8、圖9所示。為方便比較，將激光再制造前后的沖蝕質量損失和沖蝕磨損率分別在同一圖上表示。

圖8　再制造后的閥芯沖蝕質量損失

對比再制造前后的閥芯沖蝕質量損失(圖8)可看到，再制造后的閥芯表現了較好的抗沖蝕磨損性能，在閥芯工作的0～8 h內,其沖蝕質量損失變化較小，沒有明顯的突變，且其沖蝕質量損失小于再制造前的閥芯；工作8 h后,沖蝕質量損失開始有顯著增加的趨勢，且在最后3h內，沖蝕質量損失大于再制造前的閥芯，說明此時的結合強度降低，導致材料流失嚴重。由再制造后的閥芯累積沖蝕磨損率(圖9)可以看到，累積沖蝕磨損率變化趨勢較緩，0～8 h內的累積沖蝕磨損率較為接近，在閥芯工作8h后，累積沖蝕磨損率產生突增，閥芯進入快速磨損階段。

圖9　再制造后的閥芯累積沖蝕磨損率

熔覆區的顯微硬度曲線如圖10所示，可見熔覆層(厚度3 mm)的硬度明顯高于閥芯基材的硬度。這主要是由于鐵基合金粉末在激光熔覆再制造過程中充分熔融，產生了較多的液相且保持較好的流動性，使得組織致密度較高，因而熔覆層的顯微硬度比較高[9-10]。

圖10　熔覆區顯微硬度曲線

對比試驗結果可知，閥芯的激光再制造基本恢復了其服役性能，在閥芯工作的0～8 h內,其性能甚至在一定程度上優于再制造之前，因此，激光再制造是恢復閥芯尺寸和性能的有效手段。

4　結論

(1)進行了高壓節流閥的沖蝕磨損試驗，分析了閥芯的沖蝕磨損過程和磨損機理。

(2)進行了高壓節流閥閥芯激光熔覆再制造的試驗研究。再制造后的閥芯表面質地緊密平整，未發現裂紋和氣孔等缺陷，形狀和尺寸滿足設計要求。

(3)閥芯再制造前后的沖蝕磨損試驗結果表明，閥芯的激光再制造基本恢復了其服役性能，可有效節約高壓節流閥的使用成本。

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(編輯張洋)

Erosion Wear Mechanism and Laser Cladding Remanufacturing of High-pressure Throttle Valves

Bo Jikang

Ningbo Polytechnic,Ningbo,Zhejiang,315800

To solve the problem of erosion wear mechanism and the partial damage repair problems of the valve core in the application of high-pressure throttle valves,this paper performed erosion wear experiments of a high-pressure throttle valve.The erosion wear mechanism of the valve core was presented based on the analysis of erosion phenomena and pattern.To recover the service performance of high-pressure throttle valve,laser cladding remanufacturing of the valve core was conducted by using ferroalloy powder,and the shape and size of the valve core was restored.The erosion wear experiments of the remanufactured high-pressure throttle valve were performed,and the experimental results show that laser cladding remanufacturing can restore the service performance of the high-pressure throttle valve.

high-pressure throttle valve;erosion wear;laser cladding remanufacturing;ferroalloy powder

2013-09-06

工業及信息化部2011年國家重大科技成果轉化項目(財建[2011]329號);浙江省高職(高專)專業帶頭人培養計劃資助項目(浙教高科[2007]209號)

TH137.5DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.023

薄紀康,男,1965年生。寧波職業技術學院工程訓練中心副教授。主要研究方向為液壓元件設計與制造技術、數控加工技術。發表論文16篇。