（机械工程专业论文）采气井口闸阀关键部件优化设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 采气井1 ：3 是油气田开发的重要设备，闸阀作为井口的主要控制部件，其性能好坏 直接影响井口装置的品质和气田开采的安全性。由于多方面的原因，我国采气井口的 生产一直是沿用七十年代的设计，已经无法满足我国气田开发的需要。本文从三个方 面对闸阀的主要性能进行了研究，以求达到优化现有采气井口、改善其品质的目的。 首先，针对设计粗略、阀体体积和重量较大的问题，利用试验和应力分析理论，结合 有限元分析，对现有阀体的常规设计方法进行了修正，以更好的发挥材料的性能；其 次，针对气田日益严重的腐蚀问题，利用渗铝改善材料耐蚀性，开展渗铝工艺在阀体 材料上的应用研究，了解其耐蚀性规律，以增加阀体的耐蚀性：最后，针对闸阀密封 副失效形式，开展密封面耐蚀、耐擦伤性能研究，提高闸阀密封副的可靠性和寿命。 通过研究得到的成果和数据可对现有井口的优化提供有效帮助。 关键词：采气井口闸阀优化设计渗铝密封 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a sp m d u c t i n gw e l l h e a di sa l l i m p o r t a n td e v i c ei no i l a n dg a sf i e l d e x p l o i t a t i o n a sam a i nm o n i t o r i n gc o m p o n e n to fg a sw e l l ，t h ev a l v ee f f e c t so n p e r f o r m a n c eo fw e l ld e v i c ea n ds e c u r i t yo fo i la n dg a sf i e l de x p l o i t a t i o n p r e s e n tm e t h o d o l o g ye m p l o y i n gi nv a l v ed e s i g ni sad a t ei d e at h a ti sb r o u g h t f o r w a r di n1 9 7 0 sa n dc a l ln o tm e e tw i t hp r e s e n tr e q u i r e m e n to fh o m eg a sa n d o i lf i e l de x p l o i t a t i o n m a i np e r f o r m a n c eo fg a sw e l lv a l v ei sr e s e a r c h e da tt h r e e d i f f e r e n ta s p e c t s ，s oa st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fv a l v ea n do p t i m i z e p r e s e n td e s i g no fg a sp r o d u c t i n gw e l l h e a d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , w i t h e x p e r i m e n tt e c h n o l o g y , t h e o r yo fs t r a i na n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e h d ，m e t h o d o l o g yf o rn o r m a lv a l u ed e s i g n a t i o ni sa m e n d e ds ot h a tv o l u m e a n dw e i g h tc a nb e d e c r e a s e d ；s e c o n d l y , a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fs e r i o u s c o r r o s i o ni ng a sa n do i lf i e l d ，i n d e e pr e s e a r c ho na l u m i n i z i n gt e c h n o l o g yi s c o n d u c t e dt oa t t a i nt h ei n h e r e n tc o r r o s i o nr o l e ，s u b s e q u e n tr e s e a r c hi sp r o m o t e d t oa p p l yt h i st e c h n o l o g yt ov a l v ep r o d u c t i o nt oi m p r o v et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n t c a p a b i l i t yo f v a l v em a t e r i a l ；a tl a s t ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fs e a li n v a l i d a t i o n ， r e s e a r c ho nc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n du n w e a ro fs e a li sc o n d u c t e dt oc n h a n c e r e l i a b i l i t ya n de x t e n dw o r k i n gp e r i o d r e s u l t sa n dd a t af r o mt h i sd i s s e r t a t i o n c a np r o v i d es i g n i f i c a n th e l pf o rt h eo p t i m i z a t i o no fv a l v e k e y w o r d ：g a sp r o d u c t i n gw e l l h e a d v a l u e o p t i m a ld e s i g n a l u m i n i z i n g s e a l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕c 之凌 日期：2 0 0 5 年p 月三6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、睫用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文搜查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学立论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行捡索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孑乏专指导教师签名：唧咿1 日期：2 0 0 5 年牛月2 占日日期：2 0 0 5 年n 月粕 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 中国是世界上油气资源比较丰富的国家之一。目前，中国已经在2 4 个省、市、自 治区内发现了4 5 0 多个油田和1 3 5 个气田。据1 9 9 4 年完成的第二轮全国石油资源评价， 中国的总石油资源量为9 4 0 亿吨，其中陆上6 9 4 亿吨，海上2 4 6 亿吨；天然气的总资 源量为3 8 万亿m 3 ，其中陆上3 0 万亿m 3 ，海上8 万亿n 1 3 。中国总的探明石油地质储 量为1 8 8 亿吨，探明天然气地质储量为2 2 万亿1 3 ，分别占总资源量的2 0 和5 8 。 最近在内蒙古伊克昭盟发现的苏里格大气田是我国第一个世界级储量气田，探明天然 气地质储量达6 0 2 5 亿m 3 。 自1 9 9 3 年来，我国已由原油、成品油出口国变为纯进口国，国内目前原油加工能 力2 2 亿吨。“八五”以来，尽管我国原油产量年均增长3 0 0 万吨，但远远不能满足国 内1 0 0 0 万吨的增长缺口。在本世纪初，国内原油供应缺口继续增大，有关专家预测， 2 0 1 0 年缺口将达到8 5 0 0 万吨以上，2 0 2 0 年以后缺口将达到1 亿吨以上。目前石油工 业已经成为制约我国经济发展的“瓶颈”。为了改变这种状况，中国石油天然气集团公 司一方面加大了跨国勘探开发和利用外国油气资源的力度，以分享世界油气资源；另 一方面，加快了国内油气勘探开发，尤其是在塔里木、柴达木、陕甘宁和川渝盆地等 西部大气田。天然气在世界能源结构中占2 5 ，而我国仅占2 。2 1 世纪，作为朝阳 产业的石油天然气业，具有广阔的前景，必将迎来大的发展。 随着石油天然气工业勘探开发的发展，近十年来，高含硫等多种腐蚀介质的油气 田相继出现，比例逐年上升。我国四川气田大多含h 2 s ，其中威远气田( 含1 5 2 0 h ：s ) 、 罗家寨气田、开县一粱平气田等属高含硫气田。我国西气东输的气源地之一塔里本牙哈 气田是目前我国最大的整装凝析油气田，它含有高温、高压和高浓度的c o ：、c l 等腐蚀 介质，牙哈气母自2 0 0 0 年1 0 月投入生产后不到一年半的时间里，就发现其1 3 口采气 井的井口装置受到了不同程度的腐蚀，其腐蚀特征表现为坑蚀、麻点、块状剥落甚至 基体腐蚀、刺穿，属于典型的c 0 2 腐蚀。长庆油田东部地区的气田也都含有h 2 s 和c o 。 腐蚀问题不但给气田开发和人身安全带来了p 重大隐患，而且使其开发成本增大。如 牙哈气田现已更换了部分采气井口和井口零部件，但其成本高昂，即使是对原有井口 装置进行维修其每套成本也高达几十万元。因此气田的腐蚀问题越来越弓l 起人们的关 注。 国家重点工程“西气东输”开工建设使气田开发利用成为中国石油工业新的巨大 经济增长点，为保证气田大规模歼发的顺利进行，需要大量高品质的气田开发设备。 华中科技大学硕士学位论文 采气井口作为控制天然气生产的关键部件，是气田开发必不可少的设备。采气井口装 置是用来开关，控制和引导气流，悬挂油管、密封生产套管和油管之间环形空间以及 创造钡4 试及井下作业条件的装置，是控制井口压力和天然气流量的承压设备，是控制 气井生产的重要地面设旌，采气井口主要由闸阀、针阀和大小四通组成，闸阀是采气 井口的主要部件，它起着连通流道和控制介质流动的作用。 1 1 采气并口的国内外现状 采气井口装置是控制井口压力和天然气流量的承压设备。目前，国外生产采气井 口的国家主要有：美国、俄罗斯、英国、日本、德国和加拿大等国家。美国在采气并 口开发方面一直占据领先地位，它不仅拥有一批技术先进、设备高效的石油机械公司， 而且拥有完善的计算理论及标准，美国a p i 标准由于其完整性、成熟性和它对石油机 械的发展与技术进步做出的贡献，现已被大多数国家所采用。 我国采气井口的生产单位主要有；上海二石油、金湖石油机械厂、盐城三益、重 庆慧剑及新泰机械公司，它们虽然都是从a p i 标准为依据开发和生产井口，但其设计 和生产水平与国外先进水平还有很大差距，具体表现在：设计还是沿用几十年来的半 经验、半理论的传统方法，加工手段落后，没有企业进行新材料和处理工艺等方面的 开发研究，这就导致了生产的采气井口品质不高，无法充分满足我国气田开发的需要。 我国现有高压、高腐蚀工况下使用的采气井口均采用进口产品，如：四川罗家寨气田 采用的是法国m a l b r a n q u e 公司的井口，牙哈气田采用的是美国钻采公司的产品。 1 2井口闸阀的发展”1 闸阀是井口装置的主要部件，其结构形式包括明杆式和暗杆式，连接形式包括螺 纹式、法兰式和卡箍式，密封形式分平行式和斜楔式，压力分2 1 、3 5 、7 0 、1 0 5 、1 4 0 m p a 。 井1 2 i 闸阀的设计和开发水平在几十年来得到了很大的发展，7 0 年代，闸阀的研究侧重 于材料和工艺方面，现已形成闸阀零件的系列材料和工艺形式。8 0 年代，闸阀向着压 力更高和结构更合理的方向发展。9 0 年代，闸阀的研究朝着自动化设计、结构紧凑、 体积小、开关力矩小、密封可靠和压力更高的方向发展。 我国从6 0 年代末开始自行研制和生产采气井口闸阀，由于受材料、工艺和设计水 平的限制，我国采气井口闸阀的技术水平一直没有得到很大提高。 在国外，闸阀的设计水平紧跟着压力容器设计技术的发展， a p is p e c6 a 井口 及采油树设备规范中推荐的阀体的设计方法主要以a s m e 锅炉及压力容器规范 2 华中科技大学硕士学位论文 为基础的，它放弃了规范中传统的常规设计方法，采用了规范中以应力分析为基础的 现代设计方法，其特点是；采用最大剪应力理论( 即第三强度理论) ，以应力分析为基 础进行设计，由于对各部位进行了详细的应力分析，计算比较精确，在不降低容器安 全的同时采用了较小的安全系数( n b = 3 和n s = 1 5 ) ，以充分发挥材料强度的潜力和降低 产品成本。而且随着现代力学、计算机、测量技术的发展，压力容器设计技术又有了 较快的发展。有限元的出现，丰富了应力分析方法，大大提高了应力分析的能力和精 度。以有限元分析结果为基础的应力分类的限制方法正在建立，高强度钢制造承压设 备的先进方法也正在研究，这些都将给阀体的设计水平带来大的提高。 我国各企业虽然也采用了a p i 标准，但在阀体的设计方法上仍然沿用了几十年来 的半经验、半理论的传统方法。以阀体总体的或基本的应力为考核对象，不对各部位 进行详细的应力分析，只是简单的采用内压容器弹性失效的理论公式进行设计，由于 计算方法的粗略和简化，为确保设备安全采用了较大的设计安全系数( n b = 4 2 5 和 n 。= 2 3 ) ，从而导致设备的体积和重量偏大。 采气井口闸阀由于面临h 2 s ，c 0 2 ，c i 。等腐蚀性介质，为抵抗各类腐蚀破坏，其 材质选择十分关键，在a p i s p c c6 a 中规定了阀体在各种压力下的材料要求，规定了制 造阀体用的碳钢，低合金钢及马氏体不锈钢的元素限制，除对材料的理化性能( 包括 室温和低温度夏比冲击功) 有严格规定外，而且要求制造厂的热处理炉的温度变化不 得超过1 3 8 c ( 2 5 。f ) ，回火时为8 3 ( 1 5 。f ) 。美国各大石油公司在a p i6 a 基础上都建立了自己的用钢规箍，如f m c 公司，按气田不同的生产环境，分别采用低 合金钢，部分不锈钢，全部不锈钢，不锈钢加镍基合金的方案，其主要材料为a i s l 4 1 4 0 、 a i s l 4 1 0 不锈钢及蒙乃尔k - 5 0 0 m c e v o y 公司则按使用条件适用a i s l 4 1 3 0 - 4 1 4 0 、 1 7 4 p h 沉淀硬化不锈锅、a i s l 3 0 4 - 3 0 6 及改进型0 1 3 鏊不锈诵，国内各厂家生产采气 井口时，也是参照a p i6 a 执行的，但在材料选择方面存在出入。由于缺乏材料在气井 工况下的耐蚀性研究，各厂家只能参照国外标准选择材料，但我国材料标准与国外有 较大差别，如：a p i 标准推荐的a s t m 、a i s i 中的许多钢钟，在我国合金钢系列( y b 6 、 g b 3 0 7 7 ) 中找不到相似的代用品，因此企业只能参照国外材料的理化性能选择国产材 料中掘近兹品种来生产，我国各厂家生产的采气并口阀体多年来一直选用3 5 c r m o 近 似美国的3 5 x m ) ，为防止h z s 应力腐蚀，材料控制硬度小于h r c 2 2 。 针对采气井口的腐蚀，人们不断在研究开发更好的防护措施，其主要有三方面：1 ) 开发特种耐蚀钢材( 如双相( 铁素体一奥氏体) 不锈钢) 来抵抗酸性介质引起腐蚀：2 ) 开发各种化学缓蚀剂，利用缓蚀荆在金属表面产生化学吸附，形成牢固的缓蚀剂膜， 3 华中科技大学顽士学位论文 从而大大降低h ：s ，c o ：等腐蚀性介质引起的失重腐蚀；3 ) 开发各种表面涂层技术，使 金属的表面形成一层具有抑制腐蚀的覆盖层，将基体金属与腐蚀介质分离开来，达到 防腐县的( 如：h i p 覆层法) 。 在材料方面，日本在特种钢材的研制和生产上走在最前面，如住友金属公司，在 抗硫化物腐蚀的钢材、镍基合金钢材和改茛奥氏体不锈钢上进行了大量的研究，成功 开发多种了既耐应力腐蚀，又有高强度及高延展性的油气田用钢材。我们可参照国外 的选材要求选用双相不锈钢( 0 0 c r 2 6 n i 7 m 0 2 ) 或钛材，但其成本高昂( 双相钢约l o 万元 吨，钛材约2 0 万元吨) ，不符合我国的国情，与选材所倡导的优质低价原则相违背。各 国研究出了很多适用于油气田防腐的缓蚀剂( 如：美国和加拿大等国在油气田设备的 防腐措施上，近年来9 0 依赖于使用缓蚀剂) ，但由于各国油气田的腐蚀条件相差很大， 即使在国内，也没有腐蚀条件完全雷同的油气井，研制出的缓蚀剂的普适性较差，一 种只能适宜于一个地区类似的井口。于是对常用钢材进行表面改性防腐成为国内外研 究的热点，钢材表面改性研究重点在研究新的防腐涂层和研究新的涂敷工艺两方面。 其主要方法是，采用高新技术如化学蒸镀法、物理蒸镀法以及离子喷涂法，在低成本 铁基材料上镀以涂层，如陶瓷、抗蚀合金以及高分子聚合物。 在钢材表面改性防硫化氢腐蚀和应力腐蚀上最为成功的应属渗铝技术。渗铝是在 普通碳钢或其它钢材表面通过一定工艺方法形成一层铝铁合金的表面化学热处理 方法。渗铝钢既是一种高效节能钢材，又是钢材深加工产品，它的生产与应用不仅可 显著提高诵材的使用年限和构件寿命，而且在很多环境中可以代替昂贵的不锈钢和耐 热钢，因此受到国内外的普遍重视。钢材渗铝经过半个多世纪的发展，渗铝技术园益 成熟，应用越来越广泛。日本、美国在渗铝钢的工艺研究、工业化和应用上居世界前 列。日本、美国、科威特、南非、韩国等国家成功的将渗铝钢用在炼制高含硫原油的 设备上。我国从上世纪五十年代开始对渗铝钢的工艺、生产及应用进行研究，但由于 很多关键工艺技术未能很好解决，渗铝钢未能在工业生产中推广使用，发展很慢。从 上世纪8 0 年开始，由于各高校和科研院所的大力研究和开发，渗铝钢才得到较快发展， 并在石油、化工、电力、冶金等部门得到推广应用，取得极高的经济效益。 我国采气井i ：3 闸阀今后的发展趋势是：i ) 在阀门结构上普遍采用全通式、流阻小、 4 华中科技大学顽士学位论文 密封可靠、寿命长的平板阀，淘汰楔形阀，以适应高参数、自动化的需要；2 ) 在设计 上，利用有限元法和计算机技术，对阀门零件结构和强度进行优化设计和可靠性设计： 3 ) 在材料和结构上，趋向于使其具有更大的适应性，以满足不同地区条件和开采各种 性质天然气的需要。 1 3论文的主要工作 国内生产的采气井口闸阀主要存在三方面的问题，第一，设计粗略，导致阀闸体 积和重量较大；第二，对材料研究不够，闸阀零件的耐蚀性能不高；第三，闸阀工艺 形式落后，密封可靠性不高。为提高采气井口闸阀的品质，开展了对d 6 5 通径系列导 流式平板闸阀的研究，以达到以下优化设计目标： i 、在保证闸阀安全性的前提下，减少阀体的体积和重量。 2 、提高阀体的耐蚀性，以保证闸阀的可靠性和寿命。 3 、提高闸阀密封副的各项性能，以提高闻阀的控制性。 针对以上优化目标，开展了以下几方面的研究工作： 1 、利用应力分析理论，结合有限元分析，对阀体的常规设计方法进行改进，提高 设计水平。 2 、利用渗铝改善材料耐蚀性，开展渗铝工艺在f 困体材料上的应用研究，了解其耐 蚀性规律，以增加阀体的耐蚀性。 3 、针对闸阀密封副失效形式，开展密封面耐蚀、耐擦伤性能研究，提高闸阀密封 副的可靠性和寿命。 华中科技大学硕士学位论文 2 1引言 2 阀体优化设计 阀体是闸阀最重要的零件之一，它的主要功能是作为工作介质的流动通道，并承 受工作介质的压力、温度和腐蚀，在它的内部构成了一个容纳闸板、阀座、阀杆等密 封和启闭件的空间。通常阀体的重量占到了整个闸阀重要的7 0 左右。 阀体设计的基本内容包括：确定阀体材料，确定阀体的制造方法和结构形式，确 定阀体的流动通道、结构的设计和计算。本章研究阀体壁厚的设计和计算。 在常规设计中，阀体壁厚的设计计算以压力容器的设计理论为基础，将阀体由一 个复杂的四通简化为了一个煮通的圆筒，由于未对阀体结构的复杂特点和应力集中因 素做出定量分析，所以采用了较大的安全系数来设计阀体壁厚，以保证阀体安全，但 这种方法导致了阀体体积及重量偏大，而且由于对应力集中分析不清，产品的安全性 并不能得到可靠保证。 2 2 优化目标和方法 阀体优化目标是在保证安全性的前提下，降低其体积和质量。 本章在对压力容器常规设计理论进行分析的基础上，对阀体壁厚公式中安全系数 的选取提出了改进意见，并对改进设计后的阀体进行有限元分析，明确其应力分布情 况，找出其中的危险截面和危险点，为整体优化设计提供参考依据。 2 3 传统设计优化 阀体作为承压件，其设计时的主要任务就是对其各个部分进行应力分析，确定最 大应力值，并将其限制在许用范围内。 2 3 1 设计思路 由于阀体的形状比较复杂，为计算方便和可行，将阀体四通简化为直通的简体进 行分析i 那j 。 6 华中科技大学顽士学位论文 2 3 2 设计计算的理论基础 阀体简化为简体后，其设计计算就转换为内压圆筒的设计计算，内压圆筒的设计 分薄型简和厚壁筒，其设计理论和公式二4 1 血下： 1 薄型筒设计 以薄型理论为基础，筒壁产生的应力为双向应力状态，其中环向应力和轴向应力 分别为： p d 。西 。西 式中：o - 一环向应力口。一轴向应力p 一设计应力 d 一圆筒中径s 一圆筒壁厚 简体强度计算采用第一、第四强度理论 采用第一强度理论： 拈咿中等s 纠 采用第四强度理论： 口= 如 ( q 一吒) 2 + ( c r 2 一吒) 2 + ( 吧一q ) 2 = 。+ 2 一 a 罴h 2 厚壁筒设计 以弹性失效准则为基础，筒体产生的应力为三向应力，各应力分别为 pf 3 虿j l 吣志c 卜爿 p 盯轴。i 巧 其中：。* 一环向应力o 。一轴向应力 筒体应力最大值出现在内壁。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) on 一径向应力 卜圆筒外径与内径之比 o + 华中科技大学硕士学位论文 简体强度计算采用第一、第三、第四强度理论。 采用第一强度理论： 盯= q = 盯环一k 足：2 一+ l l p h ( 2 8 ) 采用第三强度理论： 盯= q 一0 3 - - - - o j i z - - o 径_ = 2 k 一2 l p 0 5 4 ) 时，材料的许用应力就取决于强度极限 了，材料屈服极限高的特点就没发挥出来，因此，我们在考虑各种情况后，对阀体设 计公式中安全系数的选取做了修改，以0 。为许用应力的基础，安全系数i l s 为2 5 3 ( 铸 钢n s = 3 ：锻钢i l s ：2 5 ) 。 2 3 5 阀体计算及分析 阀体的计算分薄型和厚型两种情况，其中，厚壁简的强度条件求出的应力值是比 较符合真实情况的，但在实际应用中，厚壁公式运算复杂，无法直接求出壁厚，面薄 型筒公式形式简单，计算方便，适于工程应用。在对相关设计和试验数据i 2 9 ：2 盼析的 基础上确定选用薄型公式作计算式，而选用厚壁筒公式做应力分析，其方程组成如下： 华中科技大学顽士学位论文 扣鼎+ c 盯。旷篙p 式中： 口 = 0 ，n ；n 。= 2 5 3 c 一考虑腐蚀、工艺性等因素而附加的余量，取0 。6 c m p f k 6 5 3 5 采气闸阀计算示例： 利用公式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 对阀体进行计算： 阀体材料z g 3 5 c r m o a 。= 5 5 0 0 k g f c m 2 工作压力p = 3 5 0k g f阀体内径巾1 0 4 c m 计算校核 占= 鼎+ c 吼啡o e 乩s 4 取5 = 1 5 k = i 2 8 8 5 a3 5 = 1 5 2 4 k g f c m 2 与厚壁筒计算公式( 2 - 11 ) 、( 2 1 2 ) 相比： i ) 阀体壁厚减薄2 5 ，阀体体积 和重量均减小。 2 ) 阀体应力增大1 2 6 ，达到 许用应力的8 3 ，材料性能得到更大 利用。 2 4 有限元分析 利用有限元对改进后p f f 6 5 3 5 采气闸阀阀体进行有限元分析，了解 应力在阀体中的分布情况，找出应力 大的危险部位，为以后的改进提供参 考依据。 图2 一i 计算模型 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 0 华中科技大学顽士学位论文 2 4 1 分析对象 p f f 6 5 3 5 闸阀阀体： 工作压力3 5 m p a试验压力7 0 m p a 材贡z g 3 5 c r m o 吲h b 2 2 0 2 3 7 ob = 7 0 0 0 k g c m 2os = 5 5 0 0 k g c m 2 弹性模量e = 2 0 5 g p a 泊松比0 3 2 4 2 计算模型的建立 闸阀阀体为前后，左右对称的结构，为保证分析的精确及更好的反映结构的受力 状态和应力应变状态，对阀体基本不做简化m 孙i 。为了便于计算，只是将密封槽等对 本体强度影响很小的部位忽略【i 在模型建立中，根据阀体的结构，选用8 节点的块( b r i c k ) i 孙l 单元划分网络，因 为三维单元精度高能逼近原结构。在划分单元中，对形状复杂的局部结构( 如：相贯 处) 进行加密，共划分2 5 9 2 个单元，4 0 4 1 个节点，计算模型如图2 1 所示。 2 4 3 边界条件的处理 根据阀体在使用中的情况，将阀体三个开口端平面全部约束。 2 4 4 载荷工况 闸阀出厂要经受7 0 m p a 水压强度试验，因此选定工况为阀体承受7 0 m p a 内压时。 2 4 5 计算过程及结果 1 、计算过程 块单元的几何矩阵是： b 】= 骂岛岛岛】 ( 2 1 5 ) 其中： 华中科技大学硕士学位论文 【b l = 0 o a v 玉 0 a n 砂 8 n , 玉 应力矩阵是： 【d 】= 6 v a 4 o a ： 砂 o a 玉 a v 如 a n , 氖 0 0 a n ， 砂 0 o 盟 出 0 0 0 0 0 0 00 40 0 鸣 p 】= d 】【尽最岛最】 ( i = l ，2 , 3 8 ) 4 、= 上1 - z 爿：= i 1 而- 2 2a = 面丽e 1 2 ( 1 一) i2 【l + ) 以7 式中： 1 卜砖块单元的体积旷一泊松比e 一弹性模量 式( 2 - 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 牛，导函数是 警= 鲁( - 坳) ( 1 懈) 警= 岳( 1 蟛) ( 1 蟛) ( i 嘏3 幻 警= 蠹( z 饼) ( t ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 ，1 8 ) ( 2 1 9 ) 1 2 o o o 4 0 o 4 4 o o o 4 4 0 o o 4 4 o o o 华中科技大学顽士学位论文 a 、b 、c 为块单元的三个方向的长度的一半，号。、q ；、c ；。为单元局部坐标。 单元刚度矩阵： m = 毛毛：毛， 蠢。 如。k 如，屯。 岛。屯：缸，k ( 2 2 0 ) m = 褊雕篷3 1 协 时= ( 2 - 2 2 ) 华中科技大学顽士学位论文 ( 4 ) 阀体内壁光滑部位的应力分布比较均匀，中1 0 4 r a m 内孔应力值在2 9 0 m p a 左右。 ( 5 ) 阀体各应力值关于中心平面对称。 2 4 6 结果分析 1 、已知阀体o1 0 4 m m 孔内光滑处计算应力为3 0 5 m p a ，它与有限元计算结果 ( 2 9 0 m p a ) 很接近，说明有限元计算结果是可信的。 2 、根据有限元计算结果，7 0 m p a 压力时，阀体内孔相贯部位最大应力值为5 7 1 m p a ， 已超过材料的屈服极限5 5 0 m p a ，但阀体在使用中其寿命和承载能力并没有受到影响， 这是因为根据自增强理论1 3 4 1 ，承受内压设备服役前的适当超载处理可以使其应力集中 处发生塑性变形，从而产生残余压应力，大幅高提高其弹性承载能力和疲劳寿命。 3 、根据有限元计算结果，7 0 m p a 压力时，阀体底部过渡处内表面和中部外表面应 力值均较高，应力值分别为5 5 5m p a 和4 2 6 m p a 。但这些应力均位于壳体表面，壳体内 应力并不高，因此这并影响阀体在使用中的寿命和承载能力。 4 、根据有限元计算结果，阀体底部过渡处内表面和中部外表面应力值均较高，根 据线弹性原理可得阀体底部在3 5 m p a 压力时的最大应力值为2 7 0m p a 和2 1 3 m p a ，已 超过材料许用应力 0 】。但根据应力限制准则，在过渡处由于存在一次+ 二次+ 峰值应力， 其许用应力控制为小于3 【o 】m i ( 5 5 0 m p a ) ：在阀体底部是圆平板以弯曲应力承载压力， 它的极限承载应力可提高1 5 【d 】l 。l l ( 2 7 5 m p a ) ，因此，阀底部是安全的。 5 、通过以上分析可知，改进后的阀体设计公式是可行的，可以保证产品的安全。 2 5 本章小结 为达到在保证采气闸阀阀体安全性前提下，降低其质量和体积的目的，本章对阀 体设计理论及其采气闸阀结构特点进行分析，提出了采气闸阀在阕体设计中按履服极 限o ，确立材料许用应力，并取安全系数n ，= 2 5 3 的设计思路，按此设计改进的阀体 有限元分析和实践检验，达到了优化目的。 通过有限元的分析，了解了采气闸阀阀体中应力分布规律，确定了其危险截面和 危险点，并对应力产生原因和结构安全性进行了分析，为阀体的整体改进提供了依据。 在采气闸阀阀体的设计中仍有许多工作要做，如：1 ) 加深对危险部位的应力分析， 从而能更好的利用各类应力限制准则；2 ) 针对高屈强比材料的设计方法需进一步研 究，以更好的发挥材料的性能。 1 4 华中科技大学顽士学位论文 3 。1 引言 3 阀体用耐蚀材料研究 闸阀作为采气井口的控制部件，其阀体要长期承受工作介质的压力、温度及腐蚀。 气田中危害性较大的腐蚀介质主要为h z s ，c 0 2 等酸性气体，阀体在它们的作用下会发 生失重腐蚀和应力腐蚀，其中失重腐蚀包括均匀腐蚀和局部腐蚀，它们是金属材料与 腐蚀物之间发生化学反应的结果。应力腐蚀主要为硫化物力腐蚀和氢脆。它们是局部 腐蚀和应力共同作用下的物理化学过程。在这些腐蚀中，失重腐蚀会造成承压本体壁 厚减薄，导至承载能力下降，而应力腐蚀在电化学腐蚀并不明显的情况下，就会造成 阀体的破坏，且时间很短，给生产和人员造成极大威胁，因此危害更大。 针对采气井口的腐蚀，人们研究开发了多种防护措旌，其主要有三方面：1 ) 特种 耐蚀钢材( 如双相( 铁索体一奥氏体) 不锈钢) 来抵抗酸性介质引起腐蚀；2 ) 开发各 种化学缓蚀剂，利用缓蚀剂在金属表面产生化学吸附，形成牢固的缓蚀剂膜，从而大 大降低h ：s ，c 如系腐蚀性介质引起的失重腐蚀；3 ) 开发各种表面涂层技术，使金属的 表面形成一层具有抑制腐蚀的覆盖层，将基体金属与腐蚀介质分离开来，达到防腐目 的( 如：h i p 覆层法) 。 由于受成本和工艺的影响，我国目前的采气井口闸阀的防腐措施仍采用传统方法： 1 ) 利用缓蚀剂降低阀体的腐蚀；2 ) 针对h 。s 应力腐蚀，控制阀体材料硬度h r c 2 2 。 3 2 研究目标及内容 研究内容：选择渗铝作为防腐蚀性能的改善措施，在分析渗铝钢耐蚀性的前提下， 针对阀体的腐蚀工况，开展了阀体母材表面渗铝工艺及耐蚀性的研究。 研究目标：提高阀体在气井腐蚀工况下的耐蚀性，并制定针对阀体母材的有效渗铝 工艺。 3 3 渗铝工艺研究 渗铝工艺已经在很多材料上得到应用，但目前它主要用于低碳钢，很少用于合金 钢 。这是因为渗铝时的温度处于钢材的奥氏体区，在冷却时，合金钢易产生相变， 华中科技大学硕士学位论丈 引起力学性能变坏。采气闸阀阀体材料为合 钢3 5 c r m o ，因此必须避免这种现象，要 既保证了母材的力学性能又满足渗铝层的质量和工艺稳定性要求。 3 3 1 、渗铝方法选择 国内外目前出现的渗铝方法| 12 f 艮多，如固体粉末渗铝、热浸渗铝、料浆渗铝、喷 涂渗铝、气体渗铝等，前四种方法已在国内用于生产，其特点见表3 1 。 表3 一l 常用渗铝方法的特点 渗铝 优点缺 点 方法 粉末 1 操作简单，工艺稳定；1 劳动条件较差，生产周期长； 2 渗层深度和成分易控制，表面质量好：2 时间较长，尺寸受限制； 渗铝 3 适用于形状复杂的工件渗铝。3 细孔零件渗铝后清理渗；f ! i 较难。 热浸1 工艺简单，生产效率高；1 渗层表面粗糙，均匀性差，夹杂物较 渗铝2 容易实现连续化生产。多：2 坩埚易蚀坏，蒸发的气体有害。 熟喷l 零件尺寸不受限制；1 渗层表面粗糙，均匀性差； 渗铝2 容易实现局部渗铝。 2 操作时温度高，噪音大。 料浆 l 操作方便，设备简单； l 渗层表面质量较差，工艺稳定性不 2 扩散工艺稳定，渗层质量好够；2 有机溶剂粘结剂挥发快，不利 渗铝 3 可进行局部渗铝。 健康，而水溶性粘结剂干燥慢。 针对采气井口闸阀形状复杂，使用工况对渗层质量要求严格的特点，确定用粉末 渗铝对其进行处理。 3 3 2 粉末渗铝工艺 粉末渗铝主要是将洁净的工件填埋于装有渗铝剂等固体粉末的渗铝罐内，再加热 到一定温度，促使铝原子向钢中扩散形成渗铝层。 1 、粉末渗铝工艺路线 根据粉末渗铝。4 ”的特点并结合了具体材料的性能和热处理要求确定了渗铝工艺。 匿亟圣耍亟i j i 国一4 i j i 圃一匿i i i i 围一匿i i i i 圃一臣重i i 阐一 阚劂一障件的精机加工f 图3 1 粉末渗铝工艺路线 2 、3 5 c r m o 钢粉末渗铝技术特点： 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 操作简单，工艺稳定； ( 2 ) 渗层深度和成分易控制，渗铝钢表面质量好，无裂纹； ( 3 ) 粉末渗铝钢的韧性较常规渗铝钢有明显提高； ( 4 ) 适用于形状复杂的材料、零件或部件的渗铝。 3 3 3 粉末渗铝层的组织特征 l 、渗铝层组织 3 5 c r m o 钢粉末渗铝后得到的截面组织如图3 2 和图3 3 所示。 图3 - 2 只渗铝得到的渗铝层图3 - 3 扩散和调质处理后的渗铝层 截面组织( 电镜像)截面组织( 光学像) 渗铝层的组织具有明显的柱状晶特征。只粉末渗铝得到的渗铝层明显的由两层组 成，即外层和内层( 见图3 2 ) 。对粉末渗铝钢进行扩散处理，渗铝层的内层厚度增加， 外层厚度减薄( 见图3 3 ) 。 根据渗铝层的成分分析结果、f e - a i 二元合金状态图和组织特征，可这样认为：渗 铝层的外层( 含3 1 6 8 a i ) 由f e a l 3 、f e 2 a 1 5 、f e a l 2 等相组成，主要为f e 2 a 1 5 ；渗铝层 的内层( 含9 3 1 a i ) 主要由f e 3 、f e 越等固溶体相组成。 2 、渗铝层铝含量分布 用扫描电子显微镜( j s 靓一5 5 1 0 l v ) 和x 射线光电子能谱仪( f a l c o n s w t 阶对渗铝钢 渗层中铝和铁的含量进行了系列点的测试，得到了截面渗铝层中铝和铁含量的变化规 律，结果见图3 - 4 。 渗铝层外层a l 含量大于3 1 ，一般在3 1 6 8 之间，内层a l 含量则在9 3 1 之间。 华中科技大学硕士学位论文 经扩散处理后，外层逐渐变薄，外层和内层的界面也逐渐模糊，渗铝层中a 1 和f e 的 浓度梯度变化比扩散处理前要平缓得多。 渗铝层a l 含量从渗铝层表面沿钢基体方向逐渐降低，到达渗铝层与钢基体的交界 处时，a 1 含量降低到9 1 2 ；在钢基体一侧，当测试点距钢渗铝层与钢基体交界处的 距离大于一定数值( 一般是1 5 3 0 pm ) 后，a l 的含量降为零。f e 含量的变化与a l 含 量的变化相反。 图3 - 4 渗铝层扩散前后a l 和f e 的分布情况 3 、渗铝层厚度 采用粉末渗铝方法对3 5 c r m o 钢进行渗铝，可获得2 8 0 3 2 0 m 厚的渗铝层。经扩 散处理后，渗铝层厚度可达4 2 0 6 5 0um 。 3 3 4 渗铝工艺对3 5 c r m o 钢零件精度的影响 l 、零件( r a 值1 6 u m 3 2 p m ) 粉末渗铝( 包括扩散和调质处理) 后，其表面粗 糙度r a 值基本保持在一个比较稳定的范围内( r a 值1 6pm 3 2 | im ) ，满足常用零件的 表面粗糙度要求。 2 、零件粉末渗铝( 包括扩散和调质处理) 后其直径变大，一般增大0 1 8 2 0 4 2 0 m m ，增加多少因渗铝条件而异。 3 、粉末渗铝( 包括扩散和调质处理) 对零件产生的变形较小。如：对圆柱形零件， 处理后的直线度值范围为5 0 3 0 0 且m ( 前为2 0 2 1 0 u m ) ，径向圆跳动值范围为l o 3 0 8 华中科技大学硕士学位论文 u 【( 前为5 2 0 u ) ，径向全跳动值范围为4 0 2 6 0 u m ( 前为2 0 2 1 0 “m ) 。 4 、粉末渗铝实例 采用粉末渗铝技术，对部分3 5 采气井口零件进行了粉末渗铝处理，渗铝前后的零 件照片见图3 - 5 。零件表面没有发现微裂纹和其它缺陷。 图3 53 5 采气井口零件粉末渗铝处理前后的照片 3 4 渗铝钢耐蚀性能j ”】 天然气中含有的h ：s 、c o 。、c l 等腐蚀性介质在水分存在的情况下会对材料产生腐 蚀，本章中对渗铝钢抵抗它们引起的主要腐蚀的能力进行了研究。 3 4 1 耐硫化氢盐水失重腐蚀性能 3 5 c r m o 及其渗铝钢在不同条件硫化氢盐水中的腐蚀速率见表3 2 和表3 3 。 表3 - 23 5 c r m o 钢及其渗铝钢在不同n a c l 含量盐水中的腐蚀率 n a c l 含量( w t ) 材质腐蚀介质 o0 51 535 0 7 8 3 0 7 7 60 7 7 4o 7 4 t 0 ，6 8 93 5 c r m o 钢 腐蚀速率 0 0 0 4 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 2 3渗铝钢 m s u ( m m a ) 0 8 4 4 0 8 3 i o 8 1 6 0 ，6 8 0 0 ，6 4 43 5 c 州0 钢 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 1 1 0 0 1 3 0 0 1 8渗铝钢 ( 也s + c ) 逮和 华中科技大学硕士学位论文 表3 - 33 5 c r m o 钢及其渗铝钢在不同温度下“盐水中的腐蚀率 温度( )52 0 3 5 5 06 58 09 5 材质腐蝴 a 4 8 5o 晒口7 0 6 o - 8 g 21 0 4 01 1 硒l 1 穗3 5 c r m o 腐蚀h 2 s ” 速率 0 0 1 3 50 o l 匍q 0 1 8 6o 0 2 3 l0 淌n 蚴o 删渗铝钢 ( a ) o 5 昆o 6 岛n 6 8 7q7 3 30 8 5 9 0 9 1 0n7 9 83 5 c r m o 均值仉# n0 1 0 5n 0 1 5 7n 仇7 6o