NiTi形状记忆合金封隔器密封件的研制

安少云姚九成智 勇

（1.承德石油高等专科学校，河北承德 067000；2.中国石油钻井工程技术研究院江汉机械研究所，湖北荆州 434000）

NiTi形状记忆合金封隔器密封件的研制

安少云1姚九成1智 勇2

（1.承德石油高等专科学校，河北承德 067000；2.中国石油钻井工程技术研究院江汉机械研究所，湖北荆州 434000）

提出了用NiTi形状记忆合金制造井下封隔器的密封件替代传统橡胶密封件，完成了形状记忆合金密封件的结构设计，进行了形状记忆合金密封件的性能实验，并对实验结果进行了具体分析。实验证明，NiTi形状记忆合金密封件承压能力高，坐封力大，解封力较小，密封效果良好，可以代替传统的橡胶密封。

NiTi形状记忆合金；封隔器；密封件；应用

形状记忆合金是一种特殊合金材料，其具有的形状记忆效应得到了国内外学者的广泛关注，应用领域正在不断拓展［1］。记忆合金的成分不同，其形状记忆效应及其他性能也各不相同。采用形状记忆合金材料来制造油井封隔器中的密封件，替代传统橡胶密封件，能够简化产品结构，延长使用寿命，降低施工操作难度，进而大大降低钻井采油生产的成本与能耗。本研究应用的NiTi形状记忆合金，与橡胶相比，具有性能稳定可靠、耐高温、使用寿命长等特点。将其制作成封隔器密封件，工作时密封件受力发生变形，外力除去后，其变形几乎能够完全恢复。

1 NiTi形状记忆合金封隔器密封件的结构设计

利用NiTi形状记忆合金所研制的封隔器由动力坐封器、密封系统、丢手总成3部分组成。主要起密封作用的封隔器密封系统由记忆合金密封件、锥体、套管组成，结构如图1所示。丢手总成由释放套、夹头体、弹簧爪、拉杆组成。

图1 记忆合金封隔器密封系统结构示意图

工作时，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，分别作用在锥体和套管上，使得锥体相对于记忆合金密封件向下运动，将合金密封件胀大，从而密封于套管上，当机械力达到一定值时，释放套被拉断，丢手总成工作，完成坐封。生产过程结束时，可通入低温液体或气体使得封隔器工作温度下降到低温状态，这样记忆合金密封件在管壁压力和其他零件的拉力共同作用下，发生形状恢复，顺利从井筒中取出。

2 NiTi形状记忆合金密封件性能实验与分析

2.1 NiTi形状记忆合金密封件密封性能实验

本次实验所用的NiTi形状记忆合金采用非真空感应炉熔炼制造，制造的密封件内径为 60 mm，扩孔率为7% ，配合间隙0.1 mm。

在实验室里自行设计了一套简易油压实验装置来进行密封效果测试。将密封件装入到实验装置中，模拟现场工作环境，进行管道连接密封性实验（实验开始前密封件与管路内壁已经发生了记忆效应），实验过程如下。

（1）使用砂纸将NiTi形状记忆合金密封件和模拟井管与密封件配合部位打磨到适当的粗糙度。

（2）将密封胶（环氧树脂与丁酸已脂2∶ 1混合物），在电炉上加热熔融成黏稠状，均匀涂抹在配合部位和端口，然后将密封件与管壁连接，固化5 min。

（3）加热炉升温到 200 ℃ ，将固化后的联结体放进炉子保温 15 min，取出冷却。此时，密封件已经完成马氏体向奥氏体的转变，密封件形状回复到高温记忆形状，完成密封件与管道的密封连接过程。

（4）取出联结体，将联结体安装到简易油压实验装置中，注油，加压。每上升 1 MPa 恒压5 min，一直加压到密封件所在部位出现渗漏为止，试压结果是 39 MPa时开始渗漏，可见，当压力≤38 MPa时，能保持密封，不渗漏。而工程中一般要求封隔器密封件与油井管道耐压为 15～35 MPa，实验结果表明，形状记忆合金密封件可用于油井中的管道部位的密封，能够代替传统封隔器中的橡胶筒或皮碗密封。

NiTi形状记忆合金密封件，其记忆效应是应力诱发马氏体相变和马氏体逆相变（转变为奥氏体）的必然结果，这种形状记忆合金密封件其内径平均变形量为6%［2］，形状恢复率也是同类金属中的佼佼者。NiTi形状记忆合金密封件在井下牢牢箍紧了井管，并在接触处产生塑性变形，使记忆合金密封件与管壁具有一定的联结强度及良好的密封性，如果进一步将密封件和联结管内壁的粗糙度降低，椭圆度降低，或者在密封件与联结管间添加技术先进的黏结剂，密封性与联结强度可望进一步提高。

2.2 常温下不同预变形度对NiTi形状记忆合金密封件恢复率的影响

密封体的单向恢复率

式中，a为密封件的原始内径；b为密封件在外力作用下发生变形后的内径；c为恢复母相后的密封件内径。

将记忆合金密封件在室温状态扩孔，在200 ℃的加热炉中加热，分别测出a、b、c值，计算出单向恢复率，结果如表1所示。

表1 不同壁厚记忆合金密封件的恢复率

从表1可以看出：常温下记忆合金密封件的预变形度为1.5%时，单向恢复率最大。这是因为常温预变形度过大时，记忆合金中的马氏体中出现大量的孪晶，在局部区域同时产生大量位错，导致马氏体失去了热弹性，形状记忆效果被破坏，随之导致金属密封件失去了密封效果。而在常温预变形度过小时，晶体的择优取向很不完全，因此其恢复率也较小［3］。所以只有在适当预变形度下密封件的恢复率才最大。在常温预变形度相等的情况下，薄壁记忆合金密封件的单向恢复率比厚壁密封件的大一些，这是因为厚壁密封件在常温扩孔时内层与外层的形变差异较大，内外层相互制约，使恢复母相时内径收缩更加困难［4］。

2.3 NiTi形状记忆合金密封件模拟现场实验

目前，冀东油田所用的几种橡胶密封材料封隔器，部分技术参数为：上压20～30 MPa，下压10～15 MPa，坐封力60～150 kN，解封力30～100 kN。对于封隔器而言，坐封力是一个非常重要的参数。在采油生产过程中，由于封隔器经常遇到高压差的情形，所以需要较大的坐封力，保证其密封性能并防止封隔器发生提前解封，但坐封力过大则有可能破坏密封橡胶，导致密封失效，同时过大的坐封力可能导致解封困难，所以坐封力必须合理选择。

根据采油生产实际对封隔器功能的要求，本次选用Ni含量为54.6%的NiTi形状记忆合金密封件进行模拟现场实验，实验结果表明采用Ni含量为54.6%的NiTi形状记忆合金密封件时，封隔器的坐封力可以达到310 kN，从而保证良好的密封效果；而解封力为95 kN，相对较小，解封容易；同时其承压可达38 MPa，承压能力较高，完全能满足生产实际要求。和普通橡胶密封件封隔器相比，NiTi形状记忆合金密封件封隔器具有明显优势。

3 结论

（1）通过密封性能实验研究表明，在高性能粘结剂的辅助下，NiTi形状记忆合金密封件的密封性能非常突出，室内实验密封承压可达到38 MPa，能满足现场需要。

（2）采用NiTi形状记忆合金制造的密封件，常温预变形度为1.5%时，单向恢复率最大。在常温预变形度相等的情况下，薄壁记忆合金密封件的单向恢复率比厚壁密封件的大一些。

（3）NiTi形状记忆合金封隔器在坐封力、解封力、承压能力上都优于普通橡胶密封件封隔器。

［1］ISMAIl M,RODELLAR J,IKHOUANE F.An innovative isolation device for aseismie design［J］.Engineering Struetures 2010,32（4）：1168-1183.

［2］张丽娟，赵广民，赵粉霞，等.Y241型封隔器分压管柱可靠性分析［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：25-28.

［3］郑金中，陈伟，张国玉.ZYY341-80型封隔器的研制［J］.石油机械，2011，38（1）：48-50.

［4］杨建斌，杜习广.ZYY341-80型封隔器的研制［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：70-73.

（修改稿收到日期 2014-06-30）

〔编辑 付丽霞〕

Development of packer seal with NiTi shape memory alloy

AN Shaoyun1,YAO Jiucheng1,ZHI Yong2
（1.Chengde Advanced Petroleum College,Chengde067000,China;2..Jianghan Mechanical Institute,CNPC Drilling Research Institute,Jingzhou434000,China）

This paper presents idea that packer seal made of NiTi shape memory alloy can replace traditional rubber seal.The structural design of seal with shape memory alloy has been completed.Experiments were conducted on functions of the seal with shape memory alloy,and results of the experiments were analyzed specifically.The experiments prove that seal with NiTi shape memory alloy has high pressure bearing ability,powerful setting force and small releasing force,and has excellent sealing performance.Therefore,it can replace traditional rubber seal.

NiTi shape memory alloy;packer;sealing component;application

安少云，姚九成，智勇.NiTi形状记忆合金封隔器密封件的研制［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：123-125.

TE22

：B

1000–7393（2014）04–0123–03

10.13639/j.odpt.2014.04.031

河北省科技支撑项目“应用镍钛智能材料研制开发高性能油井封隔器”（编号：10215149）。

安少云，1964年生。承德石油高等专科学校机械系，副教授。通讯作者：姚久成，电话：13932460993。