密封结构对阀门防砂效果的影响.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 96 今日制造与升级 2023.6压裂作业中，需要在压裂液中加入不同直径的支撑剂，以达到加固底层裂缝的目的。支撑剂采用的砂粒直径范围一般为30 140目（0.1060.6mm），阀门如果采用常规密封结构，容易造成密封失效、阀板和阀座磨损过快和阀门锁死等问题，因此在压裂作业中，阀门需采用防砂密封结构。不同的密封结构对阀门防砂效果及使用寿命有很大的影响。目前主流的防砂密封结构有单阀座、分体式阀座、浮动式阀座、双阀座和自激式阀座等5种形式，文章针对这5种结构形式进行解析，分析不同密封结构对阀门防砂效果的影响。1 密封结构原理1.1 单阀座结构单阀座结构由阀板、阀座、导板、波簧和密封圈等组成。主密封采用金属密封，阀板及阀座的密封面采用超音速喷涂碳化钨进行硬化处理。副密封采用软密封，密封材料为氢化丁晴，其耐温性、耐候性相比丁晴橡胶，性能有很大提升。该密封结构阀座尾部安装有一道波簧，波簧推动阀座贴合在阀板上，阀体上游的压力被 o 形圈阻断，从而形成前座密封。因为阀座与阀体之间的间隙不大于0.1mm，所以该密封结构适用于所有含砂工况。由于该密封结构采用了波簧，虽然其低压性能较为优异，但是该结构需要采用专用工装从阀体两侧进行装配，所以不能满足井场在线维修的需求。阀门需要维修时，需要关断上游压力，并将阀门从整体设备上拆除，浪费时间。并且由于液体中的细小砂粒没有装置对其进行阻挡，在流体流动后，砂粒会被密封圈阻挡，并堆积在波簧位置处，经过长时间的使用，堆积的砂粒可能会导致波簧失效、阀门开关力矩过大，从而不能正常开关阀门。1.2 分体式阀座结构分体式阀座结构由阀板、阀座圈、阀体衬套、固定板和密封圈等组成。主密封同样采用金属密封，阀板及阀座圈的密封面均采用超音速喷涂碳化钨进行硬化处理。副密封采用软密封，密封材料为增强型特氟龙，具有耐油、高温的特点。该密封结构通过上游流体推动阀板向后移动，阀板压紧下游阀座圈及阀体衬套，阀座圈与阀体衬套的副密封阻断阀腔的压力，从而形成后座密封。因为阀板、阀座圈、阀体衬套的总厚度与阀体开档的间隙为0.10 0.15mm，所以该密封结构只适用于中粒径支撑剂 也称为中砂，直径范围一般为40 70目（0.212 0.425mm）和大粒径支撑剂 也称为粗砂，直径范围一般为30 50目（0.3 0.6mm）的工况。该密封结构轴向方向没有安装弹簧，所以在安装阀板的时候，不需要额外的工具，具有在线维修阀门的优点。但是该密封结构因为是后座密封，流体会进入阀腔，如果流体中含有更小颗粒的沙砾，沙砾会堆积在阀体底部，从而导致阀门不能正常工作。1.3 浮动式阀座结构浮动式阀座结构由阀板、阀座、导板和密封圈等组成。主密封依旧采用金属密封，阀板及阀座的密封面均采用超音速喷涂碳化钨进行硬化。副密封采用蓄能式密封圈，该密封圈采用增强型特氟龙作为主体，内部镶嵌耐蚀合金弹簧，具有耐油、耐高温、自补偿的特点。阀座底部增设了一款导板，导板与阀座采用焊接的方式固定在一起，其作用是防止内腔的密封脂被流体冲刷流走。该密封机构在使用时，通过上游液体推动阀板向后移动，压紧下游阀座，蓄能式密封圈阻断阀腔的压力，从而形成后座密封。整个密封结构在阀体轴线方向具有保持0.10 0.15mm 的活动间隙，所以该结构只适用于中粒径支撑剂和大粒径支撑剂的工况。该密封机构在初始状态下，通过蓄能式密封环所提供的极小轴向力来推动阀板，使阀板与阀座贴合，以达到低摘要加砂压裂作业是页岩气开采及井口增产稳产的重要措施。防砂阀作为压裂作业系统的重要组成部分，对井场整个开采效率有极大的影响。合理的密封结构有利于提高阀门的防砂效果及使用寿命。文章针对几种不同的阀座密封结构，对其构造和特点进行分析，有利于井场人员根据现场工况选取适合的阀门。关键词阀门；防砂阀；密封结构；防砂效果中图分类号TM621 文献标志码A密封结构对阀门防砂效果的影响江贵洪（洪泽东俊机械有限公司，江苏淮安223000）运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 97压密封效果，所以安装该密封机构时，不需要额外的工具，具有在线维修阀门的优点。该密封结构还可以通过提高加工精度，将活动间隙控制在0.1mm 以内，从而达到全工况使用的要求，但加工制造成本会明显上升。1.4 双阀座结构双阀座结构由阀板、阀座、阀座外套、导板、密封圈和防砂环等组成。主密封同样采用金属密封，阀板及阀座的密封面均采用超音速喷涂碳化钨进行硬化。副密封采用蓄能式密封圈，该密封圈采用增强型特氟龙作为主体，内部镶嵌耐蚀合金弹簧，具有耐油、耐高温、自补偿的特点。该阀门密封为前座密封，当阀门上游进液时，液体推动阀座及阀座外套分离，阀座紧贴在阀板上，阀座外套紧贴在阀体上，阀座密封圈通过压力膨胀，阀体上游过来的压力被蓄能式密封圈阻断，从而形成前座密封。因为流体不能进入阀腔，且阀座与阀体之间的间隙不大于0.1mm，所以该结构适用于所有含砂工况。双阀座密封机构在轴向方向上只有蓄能式密封环所提供的极小轴向力，所以安装阀板时，不需要额外的工具，具有在线维修阀门的优点。阀座与阀座外套之间有一个挡沙环，该挡沙环的作用是防止砂粒进入阀座密封圈，避免砂粒在阀座密封圈内堆积，从而导致该密封圈失效的情况发生。1.5 自激式阀座结构自激式阀座结构由阀板、阀座、阀座衬套、阀座密封圈、导板和波簧等组成。主密封采用金属密封，阀板及阀座的密封面均采用超音速喷涂碳化钨进行硬化。副密封采用蓄能式密封圈，该密封圈采用增强型特氟龙作为主体，内部镶嵌耐蚀合金弹簧，具有耐油、耐高温、自补偿的特点。为了保证阀门的低压密封性能，阀座与阀体衬套之间安装有波簧，波簧推动阀座向阀板移动，使其紧密贴合在阀板上。阀座衬套前段设计有两个圆形凸台，用于保证密封机构在高压状态下的密封性能。该密封机构使用时，蓄能式密封圈的开口方向朝向阀腔，阀门上游液体经过蓄能式密封圈外圆进入阀腔，然后激发后阀座的蓄能式密封圈，从而形成后座密封。该密封结构虽然属于后座密封，但是阀座与阀体之间设计有密封圈，该密封圈紧密贴合于阀座外壁及阀体内壁，流体需要经过该密封圈的过滤才能进入阀腔，所以该结构适用于所有含砂工况。虽然自激式阀座密封结构安装有波簧，在轴线方向上有波簧提供的轴向力，密封机构安装时需要采用专用工具，但该专用工具的使用不需要通过阀门两端法兰，所以该密封机构仍然能保证阀门的在线维修需求。2 防砂效果验证为验证不同结构形式对阀门密封的影响，采用泥浆流动循环试验对阀门的防砂性能进行检测。由于分体式阀座结构和浮动式阀座结构只能用于中大砂粒，故试验分为中大砂粒工况环境与全工况环境两种情况进行。为更好地对比不同密封结构的防砂效果，试验采用相同公称通径及压力的阀门进行。2.1 中大砂粒工况环境实验分为泥浆流动试验和使用条件下泥浆循环试验两部分。泥 浆 流 动 试 验：泥 浆 流 速 为 0.29m3/min，黏 度为 100Pas，含 砂 量 为 2%，砂 粒 大 小 为 30 70Us（0.2120.6mm）。泵送泥浆通过实验阀门，持续时间25h（1h）；然后检测泥浆含沙量和黏度，保证泥浆黏度和含沙量的稳定，再次泵送泥浆通过实验阀门，持续时间25h（1h）。使用条件下泥浆循环试验：泥浆流速为0.29m3/min，黏度为100Pas，含砂量为2%，砂粒大小为30 70Us（0.212 0.6mm）。泵送泥浆通过实验阀门，在此期间，从全开到全关循环试验阀，1min 最多循环7次。然后检测泥浆含沙量和黏度，保证黏度和含沙量的稳定，调整试验阀上游的节流阀等装置，使试验阀在关闭状态下，试验阀两端的压差为2.8MPa，打开和关闭试验阀至少500次循环，试验的最后100个运行周期，以及在7次循环和500次循环步骤之间，不允许对试验阀进行任何预防性维护。验收标准：每次试验完毕后，均需对阀门密封性能进行检测。首先检查试验阀是否有液体泄漏，在整个保持期间，监测的压力不得低于规定的压力。通过在试验阀上游，施加试验阀额定压力的95%105%，稳压3min 后，在下游检查试验阀是否有渗漏；再次施加试验阀额定压力的95%105%，稳压5min 后，在下游检查试验阀是否有渗漏；验收标准：在每个压力保持期间内，阀门应无可见泄漏，且监测压力与试验开始时的试验压力之间的变化不得超过5%或3.45MPa（500psi），以较小者为准。然后拆解阀门，检查阀座及阀板承压面的拉伤情况，统计在1英寸宽度上的划痕数量。通过实验，这5种结构的防砂阀所得数据见表1。2.2 全工况环境阀门更换全新的密封机构，并进行全工况环境下的试验。运行与维护 Running and Maintenance 98 今日制造与升级 2023.6试验分为泥浆流动试验和使用条件下泥浆循环试验两部分。泥 浆 砂 粒 大 小 采 用 砂 粒 大 小 为 30 140Us（0.106 0.6mm），含沙量2%，其余参数及试验流程与“2.1”中相同。表2 全工况环境下阀门防砂效果结构形式额定工作压力（MPa）泥浆流动试验（MPa）使用条件下泥浆循环试验（MPa）划痕数量（1 1）试压结果3min压降5min压降3min压降5min压降阀座阀板单阀座结构1053.513.854.234.6200合格分体式阀座结构1054.274.637.568.251514不合格浮动式阀座结构1054.464.938.679.021717不合格双阀座结构1053.043.414.024.5800合格自激式阀座结构1053.073.324.074.4300合格通过实验，这5种结构的防砂阀所得数据见表2。3 结束语通过泥浆流动试验和使用条件下泥浆循环试验，分别对5种密封结构进行了验证。在中大砂粒工况环境下，5种密封结构阀门均能稳定工作。其中分体式阀座结构及浮动式阀座结构，由于介质会流入阀腔，虽然整体密封达标，但防砂效果相对较差，不过由于其结构简单，开关力矩轻，这两种密封结构的阀门仍有部分现场使用。在全工况环境下，单阀座结构、双阀座结构及自激式阀座结构均能在实验完毕后稳定的工作；分体式阀座结构及浮动式阀座结构因其自身结构缺陷，不能阻挡小砂粒进入阀腔，会造成阀门开关时拉伤阀板，故不能使用在全工况环境。参考文献1 潘咏，张强.页岩气压裂作业用阀门的防砂技术探讨J.科技创新与应用，2018（29）：164-165.作者简介江贵洪（1983），男，重庆人，本科，工程师，主要研究方向为机械制造与设计。表1 中大砂粒工况环境下阀门防砂效果结构形式额定工作压力（MPa）泥浆流动试验（MPa）使用条件下泥浆循环试验（MPa）划痕数量（1 1）试压结果3min压降5min压降3min压降5min压降阀座阀板单阀座结构1053.413.754.124.5300合格分体式阀座结构1053.523.864.234.8711合格浮动式阀座结构1053.433.714.324.7500合格双阀座结构1052.953.423.844.0700合格自激式阀座结构1052.883.543.763.9500合格钛是高活性金属，在高温下会与氧、氮等气体发生剧烈反应，在大气中熔焊会使它的焊缝氧化及完全脆化。因此，钛及钛合金在防止与气体剧烈反应的条件下才可进行焊接。此类焊接方式具有焊接质量可靠，焊接工件不受污染和保护效果好等特点1。为了满足钛及钛合金电极的焊接要求，湖南湘投金天钛业科技股份有限公司从德国引进了1台 aLD 公司12t 真空等离子焊箱，其真空系统前级泵采用干式螺杆真空泵，具有结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等优点，但由于其装配精度很高，海绵钛压制电极在真空焊箱中进行焊接时产生的大量挥发物进入泵腔，导致泵腔发热，长期运行甚至导致部件磨损变形，进而卡死跳闸，导致整个真空系统停止工作。这种干式螺杆真空泵，装配精度高，维修难度大，生产车间不具备现场维修摘要为满足钛及钛合金电极的焊接要求，湖南湘投金天钛业科技股份有限公司从配套10t 真空自耗电弧炉的角度考虑，由德国引进了12t 真空等离子焊箱，其真空系统前级真空泵为干式螺杆泵，维修难度较大。车间其他设备的真空系统前级真空泵均为滑阀真空泵，所以考虑对此12t 真空等离子焊箱的真空系统进行相应的改造，以一套滑阀真空泵及配套设施暂时替代干式螺杆泵，满足车间连续生产的需求。关键词真空等离子焊箱；真空系统；真空泵；漏率中图分类号TL628 文献标志码A12t真空等离子焊箱真空系统改造王秉章，李兵（湖南湘投金天钛业科技股份有限公司，湖南常德415001）