压裂井口平板闸阀结构改进研究

刘伟　唐炜

摘要：为了改造地层，提高油田采收率及采油速度，进行酸化、压裂作业是重要措施之一。压裂井口装置作为酸化、压裂施工过程中重要的井控设备，在施工过程中对井口风险管控起到了关键作用。通过研究目前国产压裂井口装置使用中存在的问题，采用弹簧致动密封圈提高严苛工况下的密封效果，采用等离子喷焊等先进生产工艺有效改善其性能，提高使用寿命，采用滚珠丝杠驱动阀门，有效的减小闸阀开启和关闭的扭矩力，使操作人员能手动开启大口径平板闸阀，以上措施有效提高压裂井口装置的经济效益、社会效益和环境保护效益。

关键词：压裂井口装置;等离子喷焊;滚珠丝杠;

1技术现状及改进研究目标

1.1技术现状

目前国内压裂作业均采用国产压裂井口装置，主要生产厂家有宝石机械、渤海装备、重庆新泰、道森等。主要技术现状如下：

（1）部分国产厂商虽能生产KL180-140压裂井口装置，但现场使用表明，阀门的结构不具备防砂功能，容易出现闸阀开关困难、甚至砂堵现象。

（2）阀板、阀座密封面均采用超音速喷涂工艺，密封面物理结合，容易脱落，导致密封失效。

1.2改进研究目标

（1）优化阀座与阀体之间的密封结构，防止加砂压裂过程中压裂砂进入阀腔内，保证平板闸阀密封可靠，满足现场加砂压裂的工况。

（2）增强阀板、阀座在压裂施工过程中的耐腐蚀、抗冲刷能力，从而延长阀门的使用寿命。

（3）优化滚珠丝杆结构，降低施工现场开关平板闸阀的劳动强度。

以上改进如果全部实现，将很大的延长平板闸阀的有效使用寿命，降低现场工作强度和安全生产成本，具有可观的社会经济价值。

2高压力、大通径平板闸阀结构

高压力、大通径平板闸阀主要由阀体、阀盖、阀板、阀座、阀杆、尾杆、护板、

3零部件结构设计改进

3.1阀座密封结构优化设计

在阀门处于全开和全关状态时，阀板与阀座始终贴合，阻断了压裂液中的砂砾进入上、下两个阀腔的通道，保证了平板闸阀的密封和正常开关。

3.1.1闸板与阀座之间多采用金属对金属压力自紧式浮动密封[1]，按照结构不同，可分为后座密封和前座密封。从现场使用中闸阀砂堵严重的现象分析，因为现有平板闸阀采用的后座密封结构形式（图4），闸阀在使用过程中，阀腔内始终充满流体介质，从而容易造成砂堵，因此将阀座密封由后座密封结构优化为前座密封结构形式（图5）。

3.1.2优化波形弹簧安装形式。优化后阀座采用前座密封设计，该密封形式为轴向密封，低压状态下需给予阀座轴向的预紧力使其始终贴合阀板以达到密封效果。以往波形弹簧安装后是与流体直接接触，在加砂压裂的过程中，压裂砂就不可避免的进入波形弹簧槽，当压裂砂沉积过多后，对波形弹簧的预紧力性能造成影响，使得阀座不能始终贴合阀板从而阀门进砂，因此，对波形弹簧安装槽也进行优化设计。优化后波形弹簧不再与流体直接接触，从而有效的保证了弹簧性能，防止压裂砂进入闸阀腔体。

3.1.3安装防砂护板，在阀座与阀板之间安装防砂护板，防砂护板的安装能有效的防止阀门在开关过程中，防止因阀板与阀座的相对运动产生的间隙而进砂。

3.2阀板、阀座焊接工艺优化

阀板、阀座采用等离子喷焊。自熔合金喷焊层作为材料表面强化技术之一，在提高材料表面抗腐蚀、抗磨损、耐高温性能等方面受到广泛重视[2]。优化前PFF130-105平板闸阀的阀板、阀座密封面均采用喷涂工艺，耐蚀层厚度仅为0.15-0.2mm，涂层与基体机械结合，结合强度仅为5-50MPa，耐腐蚀、抗冲刷能力弱，在施工过程中涂层易被冲蚀从而造成阀门密封失效，进而阀腔进砂。为解决此问题，对阀板、阀座焊接工艺进行优化，对阀板、阀座密封面采用等离子喷焊耐蚀合金，焊层厚度可达1.5-2.0mm，并采用正确的研磨方法、速度及磨料，不得出现刀痕划伤等缺陷[3]，结果表明，采用该工艺制备的涂层与基体呈冶金结合，大大延长了零部件的使用寿命[4]。

3.3滚珠丝杠结构的应用、阀门手轮的优化

采用滚珠丝杆结构。滚珠丝杆副是由丝杆、螺母、滚珠等零件组成的机械原件，起作用是将旋转运动变为直线运动。其传动效率高达90%～98%，传动灵敏平稳。滚珠丝杠副为点接触滚动摩擦，摩擦阻力小，此结构可降低开关力矩，减少劳动强度。同时，加大阀门手轮，将开关力矩降低20%的同时，还增强了手轮的可靠性。

4平板闸阀阀体强度设计研究

4.1三维建模及有限元分析

平板闸阀阀体（30CrMo）承受介质产生的表面压力载荷，以设计压力的1.5倍（即：介质压力为210MPa）计算阀体强度，建立结构强度分析与评价，分析结果表明阀体结构可满足强度要求。

4.2平板闸阀阀体加工工艺流程

锻坯→退火处理→粗加工各部→超声波探伤→热处理→半精加工→堆焊垫环槽→加工垫环槽→检验探伤（合格后進行下步工序）→精加工各部→检验试压（液压强度试验，试验压力为设计压力的1.5倍）→合格后转平板闸阀组装线→平板闸阀组装→检测试压→合格后转井口组装线。

5研究改进的效益价值

以130-105井口分配器为例，分配器上有4套130-105平板闸阀。在未改进前，因波形弹簧位置进砂，导致闸板无法开关，需关井泄压，派专人检修，从而耽误现场生产进度和增大现场工作强度。而且每套井口分配器因平板闸阀本体冲蚀严重，平板闸阀的使用寿命只有900-960小时。

以上研究改进均已应用到实际生产中，从现场使用的情况反应，基本达到了研究的目标。波型弹簧安装方式投入使用后，现场很少出现闸板开关困难的情况。现已使用约450小时，对平板闸阀解体检修，发现平板闸阀本体完好无损伤。增加了平板闸阀的使用寿命，降低了安全生产成本。

参考文献

[1]申会芹.超高压采气井口平板闸阀密封结构技术研究[J].石油机，2011，39（10）：116-119.

[2]陈振华，王云，周多三，等.Al-Fe-V-Si系快速凝固耐热粉末铝合金的制备和研究[J].粉末冶金技术，1991，9（4）：194-198.

[3]沈阳高中压阀门厂.阀门制造工艺[M].北京;机械工业出版社，1984.

[4]宋强，仇性启，秦书清.等离子喷焊耐磨涂层制备及性能分析[J].南京工业大学学报（自然科学版），2009，31（5）：102-105.