方鉆桿旋塞閥磨損失效的技術研究

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

根據長期的實際跟蹤調研，方鉆桿旋塞閥經常出現以下的磨損失效形式：①方鉆桿旋塞閥的本體出現了裂紋，甚至發生斷裂現象；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在服役的過程中產生表面局部腐蝕，出現局部的點蝕，蝕坑以及晶間腐蝕；⑤方鉆桿旋塞閥閥芯的密封表面嚴重發生腐蝕，閥座密封面嚴重腐蝕。

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象稱為腐蝕磨損，并且泥漿沖刷的機械作用主要是高流速和多相流動。誘導剪切應力和壓力變化[1]。固體顆粒的沖擊可導致閥芯的內壁表面和閥體的內壁表面的破裂損壞和塑性變形，同時，多孔膜的電解腐蝕會加速磨損，并且閥芯的內表面被粗糙化以形成最有害的流動條件-在腐蝕過程中的湍流。通過分析和總結了以下影響因素。

（1）泥漿侵蝕率的大小和方向。通常認為侵蝕磨損率E與速度V2-3成比例。也就是說，即使發生沖擊或爆裂，鉆桿中的流速也會迅速增加，這也會導致腐蝕磨損。速度也會增加，這會對閥芯和閥體表面造成嚴重損壞，從而導致開裂甚至破損。在較低的侵蝕角下，隨著侵蝕角（入射角）增加，侵蝕速率也相對增加。因此，當泥漿以不同的侵蝕角度沖擊閥體時，閥體的內表面可能經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變形而不破裂的能力。材料的延展性對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，每個都有相應的軟磨料磨損區，硬磨料磨損區和磨損率轉換區。當泥-固-液兩相流被侵蝕時發生選擇性腐蝕磨損，低硬度相和高硬度相的反復碰撞導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環境中由材料中的化學或電化學反應引起的表面損壞。腐蝕磨損是一種磨損過程，考慮到環境介質的影響，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腐蝕，編織腐蝕和臺面腐蝕，CO2腐蝕過程是一系列化學反應過程和傳質過程的結果，主要產物是FO。因為O3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，并且通過產物中的一些不溶性硫化物，可以在酸性條件下產生H2S。旋塞閥的內部的特征在于由化學反應中陽極鐵的溶解引起的鐵溶解厚度的減小，以及諸如點蝕的局部腐蝕損壞。

3 pH的影響

隨著溫度升高，化學反應的速率逐漸增加，這加速了腐蝕速率。如果pH值為酸性，則整個系統處于腐蝕性磨損或嚴重腐蝕性磨損區域，并發生腐蝕。隨著pH值的降低，腐蝕磨損變得更加嚴重，腐蝕磨損呈指數增加[3]。旋塞閥是低碳鋼材料，在運行過程中會腐蝕，pH值對材料腐蝕的影響不隨pH值的增加而變化。因此，在低pH環境中，不僅促進了旋塞閥腐蝕，而且還不利地影響了旋塞閥的壽命。隨著沖擊強度增加，方鉆桿旋塞閥的膜損壞程度和表面電化學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械作用強度。強度降低，磨損也增加。

H2S/CO2的一般腐蝕作用。H2S/CO2共存時的腐蝕比單獨存在兩種氣體時復雜得多，兩種氣體參與腐蝕反應的陰極過程，兩種氣體強烈互動腐蝕磨損和腐蝕磨損的綜合影響極大地加速了機器部件的失效。失效率不是簡單磨損和簡單腐蝕的代數和，而是這個代數和的倍數，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，即使發生井涌溢流也會有效抑制本體及閥芯的腐蝕。因此有機腐蝕抑制劑可以延緩腐蝕的進程。

3.2 選擇性地添加硫去除劑

通過添加硫去除劑，可以通過化學反應將硫化物有效地轉化為穩定的惰性物質，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。通過內表面的熱處理可以增加內表面的硬度。

4 結語

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。因此適當控制各種影響因素，對旋塞閥的使用壽命非常有用。從而進一步提高方鉆桿旋塞閥在防噴器中的可靠性方面發揮其重要作用。