（石油与天然气工程专业论文）φ90mm金属封隔器的研究.pdf

大庆石油学院工程硕士专业学位论文 由9 0 m m 金属封隔器的研究 摘要 为解决化学驱多层分注、套损后完井、低渗透油田分层注水中出现的问题，和外围不 压井作业的需要及常规封隔器内通径小、耐温、耐压、耐腐蚀性能差等问题，我们进行了 金属封隔器的研究。本论文介绍了： 通过试验和有限元分析，确定n i t i 台金封隔件和与之配合锥体的最佳结构； 金属封隔器的工作原理； 合金材料的性质： 阐述了影响n i t i 合金材料的因素，通过对比n i t i 合金丝拉伸后，温度对它的影响及 金属封隔器坐封后，温度对金属封隔器的影响，重点分析了温度对金属封隔器的影响，分 析了温度与金属封隔器的应变应变关系，针对温度的影响，制定合理的措施，使温度这一 影响因素朝着有利方向发展，从而实现金属封隔器的坐解封。 论述了金属封隔器的室内试验，封隔器结构的改进，以及现场试验情况，最后得出结 论： 在3 5 0 k n 坐封力的条件下，封隔器承压3 5 m p a ，悬挂力2 0 0 k n ，解封力1 8 0 k n ，坐封前 外径1 1 7 m m ，解封后外径1 1 8 r l l f m ，性能达到设计要求。 关键词：n i t i 合金，超弹性，封隔器，温度，有限元分析 a b s t r a c t r e s e a r c ho f 西9 0 r a mm e t a lp a c k e r a b s t r a c t t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ho fm e t a lp a c k e r sc a nm e e tt h ed e m a n d so fs 印a r a t e l a y e rc h e m i c a l f l o o d i n gi n j e c t i o n ，w e l lc o m p l e t i o nf o rc a s i n gd a m a g ew e l l s ，w a t e r i n j e c t i o ni nt h el o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r sa n du n c o n t r o l l e dw e l lo p e r a t i o n s i t a l s om a yh e l pa v o i dt h ep r o b l e m st h a th a p p e n e di nt h en o r m a lp a c k e r s s m a l l i n n e rd i a m e t e r , p o o rr e s i s t a n c et ot e m p e r a a a r e ，p r e s s u r ea n dc o r r o s i o n t h ep a p e rp r e s e n t s ： b o t ht h e o p t i m a l s t r u c t u r eo fa l l o ye l e m e n to fp a c k e ra n dt h a to fi t s c o r r e s p o n dm a t c h i n g c o n eh a v eb e e nd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t sa n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d b o t ht h ea l l o ym a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ，s o c i a lu s e ，s m e l t i n gp r o c e d u r ea n dt h e m e t a l p a c k e r s s t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，t h e t r a d i t i o n a l p a c k e r s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s t h e i n f l u e n c eo fs e a l i n ga n dr e l e a s i n ga b i l i t ya n dh a n g i n g p e r f o r m a n c eo nt h ep a c k e r sa r et h eh i g h l i g h t so f o u rd i s c u s s i o n t h r o u g hc o n t r a s t i n gn i t ia l l o yt h r e a ds t r e t c h e da n da f t e rm e t a lp a c k e ri s s e t t e du p ，h o wt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c ei t s p e c i a l l y , a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i po f s t r a i na n ds t r e s sb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dm e t a lp a c k e r m a k er i g h ts t e p sf o rt h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r et oe n s u r ei n f l e n c ea d v a n t a g e ds e t t i n ga n du n s e t t i n g0 f t h e m e t a lp a c k e r t h ep r o p e r t yt e s t so nt h ep a c k e r , i n s t r u c t u r ei m p r o v e dh a v er e v e a l e dt h a t w h e nt h ep a c k i n gf o r c ei s3 5 0 k n ，t h em e t a lp a c k e ra c h i e v e st h es e a l i n gp r e s s u r e o f3 5 m p a ，h a n g i n gf o r c eo f2 0 0 k n ，r e l e a s i n gf o r c eo f18 0 k n a l lp e r f o r m a n c e c a ns a t i s f yt h ef i e l dd e m a n d k e yw o r d s ：n i t ia l l o y , s u p e r e l a s t i c i t y , p a c k e r ，t e m p e r a t u r e ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第一章引言 1 1 封隔器的介绍 我国的大多数油田属非均质多油层特点，油田开采的主要矛盾是如何提高各类油层的 动用程度和经济效益，达到可持续发展。在开发过程中，各油层的产量、压力和吸水能力 等存在很大差异，如何合理开发多层油田，提高采收率，又要可持续发展，一直是一个很 重要的问题。以封隔器为中心的井下分层工具，对油层实现分采分注是极其重要的。 自大庆油田开发以来，我国的石油工业得到了飞跃发展，油田勘探开发技术水平迅速 提高。为了适应各类油气田的开发要求，研制了各种类的封隔器：支撑式、卡瓦式、水利 扩张式、水利密闭式、水利压缩式等五大类。 1 1 1 支撑式封隔器 支撑式封隔器是以井底为支撑点，加压一定的重量实现坐封的封隔器。该封隔器广泛 用于分层试油、采油、找堵水和酸化等。其特点是结构简单，可单独使用，也可与卡瓦 式封隔器或支撑卡瓦配套使用。缺点是管柱易弯曲，密封效果受到影响；单独使用时，不 超过两级；与支撑卡瓦配合使用，不超过一级。技术参数如表i 1 。 表1 - 1支撑式封隔器技术参数 t a b 1 ：l1 1 1 et e c h n i cp a r a m e l e ro f s u p p o r tp a c k e r 封隔器型号 1 5 l a1 5 l1 7 i 总长( m m ) 7 2 57 9 01 0 4 0 最大通径( m m ) 1 0 21 1 41 5 0 最小通径( r m ) 5 06 27 8 胶筒型号 y s l 0 0 一1 2 1 5y s l l 3 1 2 1 5y s l 4 6 1 2 一1 5 坐封力( t )6 8 6 - 86 8 工作压力( k g c m 2 ) 8 0 8 0 8 0 工作温度( k ) 3 9 33 9 33 9 3 1 1 2 卡瓦式封隔器 卡瓦式封隔器可防止油管的轴向移动，所用胶筒为压缩式，下放管柱重量锚定和坐封， 可液力锚定和坐封。可用于分层试油、采油、找堵水、压裂、酸化和防沙。缺点是不宜多 级使用，当深度超过3 0 0 0 m 时，坐封不可靠。技术参数如表l 一2 。 第l 章引言 表1 - 2卡瓦式封隔器技术参数 t a b 1 2t h et e c h n i cp a r a m e t e ro f a n c h o rp a c k e r 封隔器型号 2 4 l 一5 2 5 1 52 7 1 5 总长( 枷) 1 5 6 51 5 7 51 7 2 0 最大通径( m m ) 1 0 4 1 1 4 1 4 2 最小通径( m m ) 4 0 5 46 5 胶筒型号 y s l 0 0 1 2 1 5y s l l 3 1 2 2 5y s l 4 6 - 1 2 - 2 5 坐封力( t ) 6 86 81 0 - 1 2 工作压力( k g e m 2 ) 8 0 8 08 0 工作温度( k ) 3 9 33 9 33 9 3 1 1 3 水利扩张式封隔器 水利扩张式封隔器是靠胶筒向外扩张来封隔油套环空的，胶筒的内部压力大于外部， 油管压力必须大于套管压力，所以水利扩张式封隔器必须与节流器配套使用。用于注水、 酸化、压裂、找窜和封窜等。缺点是胶筒耐温、耐压性能差。 卡瓦式封隔器技术参数见 表1 3 。 表卜3 水利扩张式封隔器技术参数 t a b 1 3t h et e c h n i cp a r a m e t e ro f e x t e n tp a c k e r 封隔器型号 d 4 4 1 - 4 d d q 4 5 7 - 8 d j h 4 5 3 总长( i i l i n ) 8 5 0 9 2 09 6 0 最大通径( m m ) 9 5 1 1 31 1 4 最小通径( r l l i l l )6 26 25 5 胶筒型号 k z 9 4 5 一1 2k z l l o 7 5 0 k z l l 4 9 5 0 坐封力( t ) 5 75 71 0 1 5 工作压力( k g c m z ) 1 2 01 2 0 5 0 0 工作温度( k )3 2 33 4 33 2 3 1 1 4 水利密闭式封隔器 水利密闭式封隔器的胶筒与水利扩张式封隔器的完全一样，所以都靠从油管内加液压 来坐封。 封隔器上装有单流凡尔以控制胶筒内部的高压液体，解封时必须泄掉胶筒内的压力。 用于分层测试、分层找水、化学堵水和酸化等。缺点是密封不可靠。技术参数如表1 4 。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 表1 - 4水利密闭式封隔器技术参数 t a b 1 - 4t h et e c h n i cp a r a m e t e ro f w a t e rl e a n i n gp a c k e r 封隔器型号 y m 6 5 8 - 4h b 6 7 1 总长( m m ) 9 8 02 8 0 0 最大通径( m m ) 1 1 5 1 4 0 最小通径( r 啪) 6 2 6 2 胶筒型号玉门制造试制品 坐封力( t ) 1 0 01 0 0 工作压力( k g c m 2 ) 7 01 0 0 工作温度( k ) 3 6 34 2 3 1 _ 1 5 水利压缩式封隔器 水利压缩式封隔器所用胶筒为压缩式，靠从油管内加液压来坐封，可多级使用，可 用于分层测试、分层采油、分层找堵水等n 1 。缺点是解封不可靠。技术参数如表1 - 5 。 表1 - 5水利压缩式封隔器技术参数 t a b i - 5t h et e c h n i cp a r a n a e t e ro f w a t e rc o m p r e s sp a c k e r 封隔器型号d m 7 5 6 2 d q 7 5 2 5 s l 7 5 1 7 总长( m m ) 1 1 8 01 0 7 01 6 8 0 最大通径( m m ) 1 1 41 1 41 1 4 最小通径( m m ) 5 0 5 26 2 胶筒型号y s l l 3 一1 2 1 5y s l l 3 1 2 1 5 胜利油田自制 坐封力( t )1 5 01 2 01 6 0 工作压力( k g c m 2 ) 1 5 08 08 0 工作温度( k )3 9 33 9 33 4 3 目前油田应用的几类封隔器基本能够满足油田分注分采的需要，但还存在以下问题有 待于解决： 常规封隔器是以橡胶作为密封材料，由于橡胶材料本身性能因素，只能在原有基础上 提高耐温、耐压能力及使用寿命，没有突破性进展： 可钻式封隔器虽然可以延长使用寿命，但也有上述弊端，且必须采用钻铣的方法才能 解封，增加了许多工作量； 现有的封隔器机构较复杂，内通径较小、密封可靠性差。 综上所述，研究种耐高温、耐高压、耐腐蚀性好、内通径大的金属封隔器，是油田 采油工艺技术发展的需要。 第1 章引言 1 2 金属封隔器的意义 目前油田应用的封隔器，其密封部件均是以橡胶材料制成的胶筒。由于坐、解封机构 复杂导致内通径小( 串5 0 7 6 r a m ) 严重的限制了一些井下工艺措旌的实现：耐温、耐压低、 寿命短，如耐温 _ 1 2 0 c 的胶筒性能稳定性极差。所以研究一套机构简单，通径达+ 9 0 m m 以上，耐温1 5 0 c ，且耐腐蚀的井下封隔器，对提高各种分层注采工艺质量，特别是对 满足多元复合驱多层分注、外围油田分层注采和不压井作业的需要具有重要意义。 针对化学驱多层分注、套损后完井、低渗透油田分层注水中出现的问题，和 外围不压井作业的需要及常规封隔器内通径小、耐温、耐压、耐腐蚀性能差等问题提出该 项目。 1 3 重点研究思路、 1 3 1 有限元分析 通过有限元的分析，确定合理的金属密封件的形状和锥进的角度： 1 3 2 计算机模拟小样试验 计算机模拟试验，发现缺点，初步形成较合理的模拟小样。 1 3 ：3 室内试验 经过理论计算和分析，设计加工出模拟小样进行试验，得出结论，再反复进行室内模拟试 验，改进结构和工艺，最终达到现场要求。 1 3 4 现场试验 通过现场试验，完善工具的结构和施工工艺。 1 3 5 热处理 是影响金属合金性质的重要原因，必须有先进的热处理设备，精密的操作，以保证所需的 合金材料。 1 4 主要研究内容 1 4 1 金属密封材料的选择 金属密封材料的选择：经过对北京钢铁研究院，哈工大材料学院的调研对比，发现哈 工大的n i t i 合金是比较理想的封隔器的密封件，利用n i t i 超弹性合金在5 0 - 8 0 的超弹 性，当去掉外力时，合金利用它的超弹性能自动回复到原始状态，达到封隔器解封的目的。 1 4 2 密封体结构设计 通过有限元的建摸分析，初步确定金属封隔器的小样结构，然后进行小样室内模拟试 验，主要确定坐封力、密封承压指标、小样坐封后的外径即合金的伸展率、解封力，去除 封隔器的应力集中，反复试验，使封隔器的结构达到合理。 1 4 3 坐封系统研究 采用液压传输动力，地面打压，动力坐封器将大小相等方向相反的两个机械力通过坐 封套、拉杆的传递，机械力分别作用于锥体和工作简上，使得锥体相对于合金密封体向下 运动，将合金密封体胀大，从而密封于套管上，当机械力达到一定值时，释放套被拉断， 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 丢手总成工作，完成丢手。 1 4 4 插入器研究 采用插入密封段密封管柱和封隔器。 1 4 5 解封工艺研究 由于金属封隔器是液力打压，密封件扩张坐封，所以采用打捞解封。 1 5 重点解决的问题： 1 5 1 金属材料的选择 密封件是整个项目的关键，要求它既能密封，又能在一定的温度下，去掉外力能够解 封，利用合金材料的超弹性来解决。 1 5 2 金属密封体的结构、密封性能的研究 由于是金属与金属密封，它的密封效果较橡胶密封差，这就要求金属密封体的结构合 理，材料性能达到最佳。 1 5 3 坐封机构研究 采用地面进行液力打压，通过动力工具将锥体锥进密封体，合金密封体扩张，封隔器 坐封。 1 5 4 解封机构研究 采用打捞解封，下入滑块捞矛，打捞锥体，同时将合金密封体一起打捞上来。 第2 章n i t i 合金的性质 第二章n i t i 合金的性质 随着科学技术的发展，对材料的性能和功能要求日益提高，新型功能材料和结构材料 的开发和应用已成为人们生活中越来越重要的物质需求。 形状记忆与超弹性合金作为功能材料的一个重要分支，越来越受到人们广泛的重视， 这不仅在于其丰富的马氏体相交现象和微观组织结构的多样性，更在于它独特的形状记忆 效应和超弹性性能而具有巨大的应用潜力。 目前金属密封材料选择的是n i t i 合金，不仅因为n i t i 合金是新型材料的一种，还因 为其具有形状记忆与超弹性特性。 能够引起n i t i 合金性质发生变化的因素主要在两个方面：一是热变化可以引起n i t i 合金的形状记忆效应：二是应力能够诱发n i t i 合金的超弹性0 1 。 温度与应力对形状记忆与超弹性的影响是相互关联的。 2 1 形状记忆效应研究 n i t i 合金中的相变现象比较复杂，相变为马氏体( m ) 后具有形状记忆效应( 如图2 1 ) 。 ( b ) 双晶马氏体 ( a ) 奥氏体 卜一 0 ) 变形马氏体 图2 - 1 形状记忆效应的微观点阵示意图 f i g 2 1t h em i c r o c o s m i cl a t t i c es k e t c hm a po fs h a d em e m o 叮 n i t i 合金冷却时发生系列相变，其相变顺序为： 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 母相奥氏体( b ：) 一无公度相( i ) 一公度相( r ) 一马氏体( m ) 乜1 结合n k 8 t i 。合金的电阻率一温度曲线( 图2 2 ) 可认识其相变过程中相的变化。 1 7 02 2 02 7 03 2 03 7 0 图2 - 2 n i 4 9 8 t i5 0 2 合金的电阻率一温度曲线曲线 f i g 2 - 2 c u r v eo ft h ea o i l yr e s i s t a n c er a t ea n dt e m p e r a t u r e i r ：无公度相在t r 温度转变为公度相，具有菱形点阵结构。 r m ：在m s 温度开始转变为马氏体，具有单斜结构。 2 2 超弹性研究 外力作用下由母相奥氏体直接形成马氏体称为应力诱发马氏体。外加应力对合金的马 氏体相变有较大的影响，应力对相变起促进作用。 应力诱发马氏体发生逆转变的同时，宏观应变得以恢复，合金呈现出相变超弹性( 在 a 。温度以上变形) ( 如图2 3 ) 压力 少 fy 少 + 扩 f ， 五a 偏差 。i 。 图2 - 3 超弹性n i t i 合金和琴钢丝的应力一应变曲线 f i g 2 3 t h ec u r v eo f t h ea l l o ys t r e s sa n ds t r a i n 2 3 n i t i 合金的热挤压成型工艺研究 2 3 1 刚塑性有限元增量理论的广义变分原理 笙! 兰型受鱼垒竺丝堕 一 刚塑性有限元法的求解是建立在以下假设的基础上的：( 1 ) 忽略材料的弹性变形， 不计质量力和惯性力：( 2 ) 材料均质，且各向同性；( 3 ) 材料体积不变；( 4 ) 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化；( 5 ) 刚塑性材料仅发生应变强化。 根据假设，采用的基本方程有： ( 1 ) 微分平衡方程或运动方程 jo = 0 ( 2 ) 速度和应变速率关系( 协调方程) ( 3 ) l e y m i s e s 应力、 ( 4 ) 屈服准则 i 。= ( + “) ( 5 ) 体积不可压缩条件 ( 6 ) 边界条件 厅= 后( 嘲i 2 = 砸) e ，= i 6 u = i i = 0 在力面s 上 o - u n 口= f 在速度面s 上i i = 瓦 刚塑性有限元法的基础是刚塑性材料的变分原理。设变形体的体积为f ，表面积为s ， 在舅上给定面力f ，在上给定速度玩，则在满足几何条件、不可压缩条件和速度边界 条件的许可速度场u ，中，使泛函取驻值，为问题的真实解。 丌= 庐d v f ，f z t p s 式中孑等效应力： 享等效应变速率。 对泛函取变分，并令其等于零，则有： 断= 弦i ，一f ，f 西，d s = 0 ： 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 在预选速度场时，容易满足几何条件和速度边界条件，而要同时满足体积不可压缩 条件则比较困难，因此在求解金属塑性成形问题时，一般对体积不可压缩条件进行约束处 理。根据对不可压缩条件约束处理方法的不同，刚塑性有限元法主要可以分为l a g r a n g e 乘子法、罚函数法和体积可压缩法。l a g r a n g e 乘子法是通过附加的l a g r a n g e 乘子入，将 体积不可压缩条件引入，使其成为无约束泛函。由于引入了附加的未知数使议程数目增多， 因而增加了计算时间。材料体积可压缩法适合于多孔的可压缩材料。本文采用罚函数法。 罚函数法是将函数n 引入泛函中，从而得到新泛函： 盯= 声d v + f d y f ，f i u i d s 其变分为： 瓢= p 赉d y + a o e y 瑟，d y k ? f 国? d s = 0 可以证明： 仃。= 旯= 罟胁d v 。 2 3 2 刚塑性有限元求解步骤 刚塑性有限元求解过程有以下四步：1 ) 变形体离散化：2 ) 单元刚度矩阵的建立；3 ) 单元刚度矩阵组装为整体刚度矩阵：4 ) 求解整体刚度方程。 变形体离散成有限个由节点相联的单元，接点速度为基本的未知量，单元内部速度 场通过单元节点速度插值确定。各节点速度场分量定义成如下向量形式： v 7 = p 。，v ：，屹) 式中，胆节点总数每个节点的自由度数。 第口个单元的泛函为： z 。= 眵d 十f 抄一f ，” r d s 集合各单位泛函得： _ 7 = _ ，。 对其取变分并求驻值，可得刚度方程 旦! ：f 旦生：0 6 v ， 7 a v “ 式中卜一总的：i i b - m - a l u 号： 产筇j 个单元的分量。 第2 堂n i t i 合金的性质 上式为一组以节点速度分量为未知量的非线性方程，采用n e w t o n r a p h s o n 法求解。 在一假定的初始速度场v = v 。附近进行t a y l o r 级数展开，略去二阶以上高阶微量得 阻_ 赢l 呼o - 式中矿，速度r 。的一次修正项。 上式可简写为如下矩阵形式 式中肛一刚度矩阵； 卜节点力矢量残差。 2 3 3 温度场有限元模型 金属塑性变形温度场是一个具有内热源的不稳定传热问题，其控制议程和边界条件 为： p c t = k v 2 t + r 式中，为内热源，表示为： - = 8 瓦 式中，1 3 为塑性功转化为热能的系数。 m = q ( x ，y ，z ，t )s s x ( n e w m a n n 边；袖 q 勘限一z 。j s e s , ( c a u c h y 边界) o = 口qr 氏l 九s e s ，( 辐射边界) 口，= rl v is e 5 ，( 摩擦边界) 在热变形过程中，内热源为塑性变形功转化的热量，而磨擦生热应分配在变形金属 和工具上。对于变形金属，取分配系数m = f 亿十剐，其中一、五分别为： 具和工件的温度。 应用g a l e r k i n 法，得到考虑以上边界条件的温度场有限元方程为： ( k + h ) t + c t = q 式中， ，f 为传热系数矩阵，口为热流密度矢量。 对上式进行时间离散，即可求解。 2 3 4 刚塑性有限元分析软件d e f o r m t m 功能及应用实例 本文以d z f o r m 2 d 系统为： ：作平台。目前，在塑性体积成形有限元分析领域，i ) e i ：0 r m 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( d e s i g ne n v i r o r m e n tf o rf o r m i n g ) 系统处于世界领先地位。它是美国s f t c 公司 ( s c i e n t i f i cf o r m i n gt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n ) 在s k o b a y a s h i 等人的研究工作以 及由s i o h 等开发的a l p i d 软件的基础上开发出来的，已在美国、日本、德国等国的实 际工业生产和科研中得到大量的成功应用，并得到世界同行的公认。采用d e f o r m 软件进 行成形过程仿真分析，可获得大量工艺设计所需要的信息，如材料流动状况的跟踪，材料 流动引起的缺陷预报，应变、应变速率和应力分布，成形件机械性能的估价，成形载荷与 模具行程的关系等d 1 。 d e f o r m t m 是一个高度模块化、集成化的模拟系统，它主要包括有限模拟器、前处理器、 后处理器和用户处理器四大模块，其系统结构如图3 - 4 所示。前处理器包括模型数据准备 模块和网格自动生成模块。在前处理中，可以实现边界条件、材料参数、模拟步长以及迭 代方法的选择和确定，还可以进行有限元网格自动生成及网格结构优化。模拟器可考虑应 变、应变速率和温度对流动应力的影响，采用稀疏矩阵求解器和动态内存分配技术使计算 速度更快。后处理器可以图形化显示结果，便于进行工艺分析。 2 3 5n i t i 合金挤压的几个问题 由于目前n i t i 合金的热挤压工艺研究在国际上尚无公开报道，因此在本文的研究中 将借助已有的有关钛合金的研究基础，对n i t i 合金的热挤压工艺进行分析。 2 3 6 金属流动的性质 热挤压时的金属流动性质在很大程度上取决于以下同时作用的因素，包括金属与模具 在接触面上磨擦力的大小和变形毛坯强度性能的不均匀程度。由于这些因素的作用不同， 可观察到不同的金属流动情况。金属流动分为三种类型：1 ) 均匀流动，此时变形区局限 于模孔附近；2 ) 不均匀流动，变形区遍及整个毛坯；3 ) 更不均匀流动；毛坯的内层金属 被外层金属挤压。在其它材料相比，在挤压钛合金时，上述因素表现尤为突出。对于钛合 金而言，通常合金变形的特征是金属与工具之间的磨擦系统高，而且经常与工具粘结，同 时钛合金的导热性低，促使毛坯的温度场很不均匀。由于毛坯与工具接触而降温，其结果 是毛坯中心部分的变形抗力远低于临近挤压筒及模孔的环形区，从而导致金属流动的不均 匀。 挤压过程中，在棒材及管材上可能产生的中心挤压缩孔，在个别情况下，其深度达到 挤压件长度的一半”3 。毛坯的周向层被内层超前时，在金属变形区内出现拉应力，如塑性 不足，会引起型材料整体性的破坏。此外，挤压变形不均匀会降低合金组织和塑性的均匀 性。 润滑与毛坯的加热温度对合金的流动性质有很大的影响。采用润滑油不能保证合金在 较宽温度范围内的均匀流动。采用玻璃润滑剂可使合金在大的多的温度范围内有均匀的流 动性。以往的研究表明，下班润滑剂适用于钛合金的挤压，一般解释为玻璃有良好的隔热 性，可提高毛坯温度场的均一性。提高温度时，金属的流动不均匀性增加，这是大多数合 金的热挤压特征，这可能与毛坯及挤压筒的温度差增加时，毛坯内外层的变形抗力比发生 第2 章nj t i 合金的性质 变化有关。当加热至高温的毛坯与工具接触层冷却时，会在锭中出现不同温度的区段，这 将进一步增加金属强度的不均匀性，从而使钛合金的流动不均匀性进一步加剧。此外，提 高温度时，合金的导热性降低。 因此，为提高n i t i 合金热挤压时的流动均匀性，应采用以下措施：1 ) 降低毛坯挤压 前的加热温度或提高工具的预热温度“”；2 ) 采用有效的润滑剂，以降低金属及工具之间 的接触磨擦系数，同时具有充分的隔热性；3 ) 增加挤压速度，即缩短毛坯与工具接触时 间，尽可能减小毛坯的热量散失。 2 3 。7 热挤压过程中的热效应 塑性变形功、毛坯与工具接触磨擦以及变形区金属流动速度的交替变化等所产生的热 效应，将使挤压金属的温度发生变化。因此在制定n i t i 合金挤压的热机械规范时，应考 虑到挤压功转变为热能时对组织及其性能有副作用“”。由于n i t i 合金的比热和密度较低， 在挤压时产生的热量将比其它金属要大得多。影响挤压力的各因素也影响挤压件温度的提 高，降低挤压温度增加挤压速度和延伸系数，均可提高合金的变形抗力，从而增加热效应。 速度对挤压的热效应的影响可用来保持挤压件的温度恒定。应当指出，温度的稳定有可能 使挤压件在整个长度上的温度及性能保持均匀，但此时仍不能防止毛坯因与工件接触而冷 却，因而不能保证棒材整个截面上的性能一致。 2 3 8 挤压条件对合金组织及性能的影响 n i t i 合金在较宽的温度范围内( 9 7 3 1 3 7 3 k ) 有较高的塑性d 4 因此影响n i t i 合金 热机械规范的重要因素是组织性能、强度塑性指标、受热金属与周围介质的相互作用的程 度。合金的粗晶组织与组织不均匀性一样，是不能用热处理修正的。 合金在高温挤压时，会产生租晶组织，因而降低机械性能，尤其是塑性。此外，增加 变形的不均匀性，在一定条件下又会导致粗晶组织的产生，降低产品性能的稳定性。 降低合金的挤压温度可改善成品件的组织和性能，并能保证金属更均匀流动，同时使 工具寿命增加，型材表面质量提高。但降低变形温度时，挤压的比压要求增加，变形区放 出的热量增加。 以往研究表明，钛合金有粘结工具的倾向，因此要求金属的流动速度大，采用快速水 压机和增加延伸系数可增加金属流动速度。钛合金挤压时的流动速度在卜1 0 m s 范围内， 极限延伸系数为1 0 0i t s 。挤压速度的下限受毛坯在挤压筒中的冷却的限制，这会导致金属 不均匀流动，引起成品在整个长度上及截面上的组织与性能的不均匀，也会引起挤压模过 热。以上研究结果可为n j t i 合金的挤压工艺的制定提供参考。 当在无死区挤压时，毛坯表面的缺陷会转到成品件的表面，所以对原始毛坯应有特殊 要求。挤压前，待加热的毛坯表面应车削，边缘应倒圆。为避免表面氧化，加热应尽可能 快，最常用的是感应加热。采用氧化性气氛的火焰炉及电炉时，应用保护性气氛保护。 2 3 9n i t i 形状记忆合金热挤压工艺的确定 2 3 9 i n i t i 形状记忆合金的高温性能 一 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 n i t i 合金一般采用熔铸法制备，其铸态组织无法满足功能需要，在使用前需经冷或热塑性 加工及热处理进行组织控制。该合金虽可进行机械加工，但加工效率非常低，不适于规模 生产，又因该合金价格昂贵，应尽量利用塑性加工方法减小机械加工量。而该合金自身的 一些特点给塑性加工过程带来非常大的困难。首先，该合金的变形抗力非常大，图3 5 给 出了材料的中温拉伸应力应变曲线，从图中可以看出，n i t i 合金的室温拉伸时强度极 限可达1 0 0 0 m p a 左右，高温状态下9 7 3 k 、2 0 延伸率时，流动应力高达3 1 0 m p a “，这与 2 0 号钢退火状态下室温强度极限相当；其次，n i t i 合金在9 7 3 k 以下和1 1 7 3 k 以上塑性指 标迅速下降，在此区间之外热锻容易产生开裂现象，这就限制了热锻温度必须在9 7 3 1 1 7 3 k 之间；再次，n i t i 合金高温状态下硬度也很高，而且有粘结工具的倾向，造成模具磨损严 重。虽然n i t i 合金已有近4 0 年的研究历史，但采用热锻工艺批量生产在国内尚无报道， 对该合金热锻生产工艺的研究还很缺乏。 2 3 9 2n i t i 形状记忆合金挤压的单位挤压力问题 挤压是在强烈的三向压应力状态下变形的，变形抗力较大。这对挤压模具材料提出很 高的要求，模具容易发生镦粗等很多失效形式，要求采用省力的挤压方法，也就是说当设 备能力足够时，应尽量减小单位挤压力。反挤压的单位挤压力随变形程度的变化曲线为一 近似抛物线，曲线存在一个最低点，如图3 - 6 所示。对钢而言，这个最低点的变形程度 = 3 0 4 0 之间。因此认为钢反挤压时的合理变形程度为3 0 5 0 ，在这个范围内单位挤压力 较小，可使模具寿命提高，经济上合理。 2 3 9 3n i t i 形状记忆合金挤压模具设计 n i t i 合金热挤压在利用计算机控制1 0 0 0 0 k n 高能螺旋压力机上进行，该设备的特点为： 首先，设备上滑块回程系统的液压缸为平衡缸，回程力很小，所以模具的凸模只能做成分 体式，但这也有利于凸模的更换，降低生产成本：其次，设备的滑块工作速度为5 0 0 m m s ， 但根据文献，钛合金一般采用的挤压速度在5 0 3 0 0 m m s 范围，但这也正是本次试验的一 个特点，速度的提高虽然增加了变形抗力，但有利于金属的流动，提高生产效率，提高模 具寿命。 2 3 9 4n i t i 形状记忆合金挤压工艺 n i t i 形状记忆合金的挤压有很多自身的规律，因此其挤压工艺也和其它金属的挤压工 艺有很大区别。首先，n i t i 形状记忆合金的挤压对温度要求很严格，始锻温度不能超过 1 1 7 3 k ，否则容易发生开裂，终锻温度不能低于1 0 7 3 k ，否则变形抗力增加很快，超过设备 能力，挤压件高度无法达到要求。因此，确定坯料在电加热炉中加热至11 7 3 k ，出炉至挤 压完成时间不超过一分钟。其次，润滑剂选取的正确与否也是十分重要的，关系到挤压工 艺能否成功，模具寿命的长短等问题。由于还没有相关文献报道过关于n i t i 合金热挤压 时的润滑研究，这一领域还需进行深入研究。本次实验采用了水基玻璃加石墨配方的润滑 剂。最后，必须对模具采用合理的方式进行预热。模具的表面在工作过程中受到急剧和周 期性重复变化的温度作用，预热可减少模具表层与心部之间的温度梯度，有助于热应力及 第2 章n i t i 台金的性质 热疲劳的降低。预热的模具使变形毛坯冷却缓慢，从而有助于变形抗力的降低以及模具负 荷的减小。普通钢材挤压时模具的预热温度一般在5 7 3 k ，本次实验把模具的预热温度提高 到7 2 3 k 。实际生产中往往对模具的预热注意不够，通常利用放在上下模之间的炙热锭料进 行加热，但这不能保证模具的均匀热透，还可能使接触炙热锭料的模具表面产生过热。同 时用这种方法不能将模具预热至4 7 2 k 以上。本次实验采用了凹模整体预热的方法，达到 了工艺要求。 2 3 i 0n i t i 形状记忆合金热挤压工艺实验 本实验研究在哈尔滨工业大学国防科技精密热加工重点实验室完成，主要设备有： 1 0 0 0 0 k n 高能螺旋压力机、1 3 k w 高温箱式电阻炉和7 0 k w 高温箱式电阻炉。实验数据表明： 对于n i t i 形状记忆合金试件，反挤压后底部无法变形的厚度在3 0 - 4 0 m m 之间，为了得到 足够长度的挤压件，必须保证坯件的长度。试件热挤压后长度增加较小的原因是：坯料从 加热炉中取出后，到挤压开始的时间较长，坯料的温度下降很多，变形抗力增加，导致挤 压失败。二次热挤压后，试件的端口部出现了缩口现象，二次挤压是不可取的。通过实验 发现，一次打击无法达到高度要求，三次打击之后，打击吨位不增加，高度也不增加。最 终的打击力和计算机模拟的结果相吻合。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第三章金属密封材料特性的研究 3 in i t i 金属封隔器的有限元分析 为了分析封隔器在坐封过程中的应力和应变状态，以及封隔器坐封时出现的开裂原 因，对封隔器坐封过程进行了有限元分析。 分析一：采用1 号锥体与封隔器配合，凸脊根部的角度为9 0 。，坐封距为3 0 r a m 。最 大应力产生于锥体的5 。工作角和1 0 。过渡锥的交线与封隔件接触的部位。在坐封过程中， 封隔件的内表面的接触处的最大y o nm i s e s 应力先达到材料的应力极限。随着坐封距的进 一步增加，封隔件外侧第一道凸脊的根部处的应力也达到材料的应力极限。 分析二：采用1 号锥体与带有凸脊的封隔件配合，凸脊根部的角度为1 3 5 。钝角，坐 封距为3 0 r a m 。与分析一的结果相同，在坐封过程中，最大应力仍产生于锥体的5 。工作锥 和1 0 。过渡锥的交线与封隔件接触的部位，封隔件的内表面的接触处的最大v o n m i s e s 应 力先达到材料的应力极限，然后封隔件外侧第一道凸脊的根部处的应力也达到材料的应力 极限。分析二的结果表明，与分析一的情况相比，在相同的坐封距条件下，封隔件外侧凸 脊根部的应力集中要小。 分析三：条件与分析一和分析而二相同，但封隔件外侧凸脊的根部改为半径为0 2 5 a m 的圆角过渡。在坐封过程中，封隔件的整体应力状态与分析一和分析二的基本相同，只是 在封隔件凸脊根部的应力集中程度进一步减小。 通过上述分析一、分析二、分析三可以看出，由于1 号锥体存在有5 。和1 0 。锥的相 冠线，在坐封过程中，锥体和封隔件实际上是线接触，因而在封隔件的内表面的接触应力 首先达到材料的应力极限，这是导致封隔件在坐封时发生开裂的根本原因，随着坐封距的 进一步增大，在封隔件第一道凸脊根部的应力集中达到材料的应力极限，导致第一道凸脊 沿周向开裂，这与实际情况相符。改变凸脊根部的角度，虽然可以减轻该处的应力集中的 程度，但不能彻底杜绝应力集中的发生。 分析四：采用5 。锥体与不带凸脊的封隔件配合坐封，锥体前面有圆柱段过渡，封隔 件凸脊根部角度为9 0 。由于此时锥体改为5 。锥，使锥体和封隔件内表面的接触情况大 为改善，封隔件整体变形较为均匀，封隔件内表面的应力集中程度大大降低。随着坐封距 的增加，在封隔件凸脊的根部也产生应力集中，但应力集中的程度较小。应当注意，由于 锥体的结构变化较大，此时的应力数值与上述几个分析中的应力值不具有可比性。 分析五：如果采用5 。锥体与带有凸脊的封隔件配合，锥面为单一的5 。锥面，封隔件 的凸脊根部有半径为0 2 5 a m 的圆角过度，则封隔件整体的应变和应力趋于均匀，在坐封 过程中，封隔件的内表面和凸脊的根部基本不产生应力集中。 通过分析四和五可以看出，采用单一锥面的锥体和在封隔件凸脊的根部采用圆角过 度，可使封隔件在坐封过程中的变形达到均匀，并且使封隔件的应力集中降到最低程度， 从而有利于封隔件的使用安全性提高和n i t i 合金的超弹性性能的最大发挥。 小结 第3 章金属封隔器的设计与试验研究 通过对n i t i 合金超弹性封隔件的原理试验，结构分析以及性能测试，得出如下结论： 经热挤压的n i t i 合金，其延伸率可达2 1 ，极限强度达8 0 0 m p a 以上，力学性能完全 满足封隔器的使用要求； 封隔器的结构对其密封性能有较大影响，对于实际热轧态供货的套管，应该采用金属 与金属线密封的密封形式，封隔件外部应加工有凸脊，而面密封很难达到性能要求： 锥体的结构对带有凸脊的封隔件坐封时的变形能力有较大影响，采用两段锥结构，回 导致封隔件坐封时发生开裂，而一段锥的锥体结构可使封隔件的变形均匀，应力集中程度 大大降低，有限元接触应力分析的结果与试验中所观察到的封隔件开裂方式十分吻合。 有限元结构分析认为，封隔件和锥体的最佳结构为封隔件的凸脊根部应有圆角过度，锥体 的锥度应与封隔件的相同，锥体应采用一段锥结构： 对封隔器l ：1 实际样件的性能测试表明，在3 5 0 k n 作封力的条件下，封隔器承压4 0 m p a 以上，悬挂力在：2 5 0 k n 以上，封隔器外径1 1 7 m m ，解封后外径小于1 1 8 m m 性能达到要求。 3 2 金属密封材料的选择与影响因素 目前金属密封材料选择的是n i t i 合金，n i t i 合金是新型材料的一种，具有形状记忆 与超弹性特性。 能够引起n i t i 合金特殊功能的因素主要在两个方面：一是热变化可以引起n i t i 合金 的形状记忆效应；二是应力能够诱发n i t i 合金的超弹性。温度与应力二者不是孤立的影 响因素，而是彼此相关的。 3 3 超弹性研究， 外力作用下由母相奥氏体直接形成马氏体称为应力诱发马氏体。外加应力对合金的马 氏体相变有较大的影响，应力对相变起促进作用。 应力诱发马氏体发生逆转变的同时，宏观应变得以恢复，合金呈现出相变超弹性( 在 a 。温度以上变形) ( 如图3 1 ) 日 山 茎 r 趟 2 0 0 012 3 4 56789 应变 图3 1n 1 4 7 5 t i5 0 f e 2 5 合金在1 9 3 k 的应力一应变曲线 f i g 3 一lt h es t r e s sa n ds t r a i nc u r v eo f a l l o yi nt h e1 9 3 k 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 正是由于n i t i 合金同时具有形状记忆效应和超弹性，所以选择n i t i 合金作为金属封