方形钻杆旋塞阀是钻具中的一种防喷装置。在钻井过程中，方形钻杆旋塞阀通常处于开启状态，被高压流体冲刷、腐蚀和磨损，并在溢流井涌等特殊情况下关闭阀门。旋塞阀关闭时的密封性能和重启方便性是长期存在的一个大问题。密封故障，阀体咬是长期困扰油田生产的主要问题[1-4]。
影响旋塞阀密封性能的因素很多，合理选择形成密封系统的阀球和阀座材料是防止密封系统过早失效、延长使用寿命的关键之一。本文旨在研究和设计密封阀球和阀座实际使用条件所需的物理力学性能TiC以下简称基硬质合金TiC合金)用材料代替常用的钢材。
1 设计思路与实验
根据使用分析，球体与阀座之间的密封是金属与金属之间的密封。目前，球体与阀座的材料通常是碳钢、不锈钢、司太立等，但旋塞阀在使用中容易出现：⑴球体及阀座磨损过快或塑性变形导致密封不严，液体泄漏[1，3-5]，⑵由于粘附磨损和冷焊效应，球体和阀座在高压下咬伤，阀门无法打开[2]。根据阀门的设计要求[6]，方杆旋塞阀体和阀座的材料必须具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和足够的韧性。有鉴于此，我们认为阀球和阀座的材料应具有尽可能高的硬度和刚度，并具有优异的耐腐蚀性和满足使用的韧性。因此，我们认为TiC合金材料可能是一种理想的选择。因为，以（Ti，W）C-Ni Co Cr为主成分的TiC合金具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，弹性模量高于钢，化学稳定性高，可有效防止粘附磨损和冷焊效果，Ti元素还具有自润滑作用，可降低表面摩擦系数，减少旋塞阀在关闭和打开过程中的阻力，操作方便。
1.1 试样制备
选择本文TiC，WC，Ni，Co，Cr及TaC原料粉末均为市售产品。将上述原料按下表1的成分配比，采用湿磨法（湿磨介质为己烷）球磨、浆料过滤、干燥、、制备混合物，然后压制成型，压力烧结制备6×7×20（mm）规格和9×13×36（mm）物理力学性能试验和腐蚀试验分别进行。选用常用的阀件材料司太立和YG对比硬质合金。见表1。
表1wt.%
1.2 性能测试
1.2.1 物理力学性能测试
本文所有性能测试均按国家标准进行。AEL-200密度测试仪采用排水法测试样品密度HRS-采用150型数显洛氏硬度计测试样品硬度HS-100KN采用牛顿液压万能试验机测试抗弯强度LEICADMI5000M金相显微镜观察检测组织孔隙度及采用FORSTER-KOERZIMAT磁力仪检测试样的矫顽磁力，试验结果如表2所示：
表2 实验材料及对比材料的物理力学性能
1.2.2 腐蚀实验
腐蚀实验的样品加工成8.4±0.02×12±0.02×35.4±0.02（mm）所有试样的表面光洁度都达到了矩形样块Ra0.2.每组3个样品分别使用HCl(浓度20%)，H2SO(浓度15%)，HNO3.NaOH溶液浓度为50%℃在温度下浸泡腐蚀24小时，用蒸馏水冲洗，比较各样品的重量损失，比较常用球阀材料司太立合金[7]（StelliteAlloy）常用的密封环材料YG8硬质合金[8]。NaOH溶液中的所有样品均无明显反应，浸泡一天后，样品质量无明显变化，其他溶液中的试验结果列于下表3-5：
表3 样品20%HCl溶液中50℃腐蚀24小时的试验结果
表4 试样15%H2SO4溶液中50℃腐蚀24小时的试验结果
5表5 试样15%HNO3溶液中50℃腐蚀24小时的试验结果
表6 各种材料试样性能测试结果
2 结果与讨论
将实验结果总结列表如下表6所示，并将数据转换为直观的柱状图，如图1所示。
图1 各种材料样品在各种溶液中的腐蚀
实验结果表明TiC合金除在HNO3中的腐蚀率略高于司太立合金，其他条件下的腐蚀率远低于司太立合金WC硬质合金及司太立材料。
从实验结果分析可以看出，新开发的三个品牌TiC合金硬度极高，抗磨粒磨损性能优异，抗弯强度1700Mpa根据文献[4]的分析，本文进行了设计TiC合金强度足以满足使用要求。从图1可以直观地看出，TiC合金具有优异的耐腐蚀性，远优于常用的密封材料和球阀材料。
TiC合金硬度高，属于硬脆性材料，弹性模量大，高压下不易塑性变形。选择硬度相对较低的材料T20做阀座材料，硬度比较高T10和T30制作球体，使用球阀和球体。在高压下，球体压入阀座，产生轻微的弹性变形，形成有效的密封带。压力去除后，阀座弹性变形恢复TiC合金材料的主要成分是化学稳定性高的碳化物，密切接触时不易扩散冷焊，具有良好的抗粘性和磨损性。因此，钢阀体不会经常发生咬。
3 总结
本文研究设计的TiC具有以下优点：
(1)硬度高，耐磨性好，能有效延长阀体的使用寿命；
(2)强度高，能完全满足球阀的使用要求，安全系数足够大；
(3)耐腐蚀性好，几乎不被碱性溶液腐蚀，在酸性溶液中表现出优异的耐腐蚀性，腐蚀率远低于球阀和密封材料；
（4）TiC合金主要成分化学稳定性高，合金弹性模量大，刚度好。在高压下，球体压入球座时不易发生塑性变形和扩散冷焊，可有效解决阀体咬死、无法开关的问题。
参考文献
[1]朱海燕、李俊刚、张敏等.方钻杆旋塞阀的故障分析和改进[J].2008年(1)机械工程师:107~108.
[2]陈浩、马迁霞、王晓萍等.探讨方钻杆旋塞阀密封设计[J].2007、35(9)石油机械~27
[3]陈浩、宋周成、王晓萍等.方钻杆旋塞阀的失效分析[J].2007年，2007，27(12)~82.
[4]肖晓华、戴巍、杨贵康等.方钻杆旋塞阀的故障分析和改进[J].2009年37(1)流体机械~49.
[5]肖晓华、朱海燕、刘清友等.方钻杆旋塞阀故障树的建立和分析[J].2009年机械设计与制造，4):31~33.
[6]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京；机械工业出版社；.2004.
[7]API.SpecificationforSubsurfaceSuckerRodPumpsandFittings[M].API.2006.
[8]ASM.PropertiesandSelection：Irons，Steels，andHighPerformanceAlloys[M].ASMInternational，1990.
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