稠油熱采智能轉(zhuǎn)換接頭設(shè)計(jì)及抗腐蝕性能研究.pdf

1、本文針對(duì)稠油熱采工藝需求，根據(jù)Y接頭高溫高壓(290℃和21MPa)的設(shè)計(jì)要求，基于液壓傳動(dòng)原理優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)采油狀態(tài)與測(cè)試狀態(tài)智能轉(zhuǎn)換的高溫Y接頭，Y接頭的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)其密封性能和腐蝕性能提出了更高的要求。本文以研發(fā)的Y接頭作為研究背景，通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及有限元分析對(duì)Y接頭的整體結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化改進(jìn)，使其功能性與密封性能滿足高溫高壓下的設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)正常作業(yè)時(shí)的智能轉(zhuǎn)換。以Y接頭主體材質(zhì)42CrMo鋼為研究對(duì)象，通過高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)和

2、電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)研究激光沖擊強(qiáng)化對(duì)其耐腐蝕性能的影響，主要研究?jī)?nèi)容及所獲成果如下：
　　1. Y接頭功能性、密封性能試驗(yàn)及內(nèi)部流場(chǎng)模擬試驗(yàn)
　　對(duì)加工出的樣機(jī)進(jìn)行常溫及高溫下的功能和密封性驗(yàn)證，不斷對(duì)樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。利用ANSYS軟件對(duì)裝置單向閥在四個(gè)不同開度下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，比較分析了單向閥處于不同開度時(shí)裝置內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布圖和湍動(dòng)能分布圖。
　　研究表明：通過對(duì)金屬O型密封圈安裝凹槽尺寸優(yōu)化調(diào)整去除0.

3、3mm余量，對(duì)金屬O型圈壁厚及鍍層進(jìn)行改進(jìn)，在相鄰的兩個(gè)螺栓孔之間分別增加一個(gè)M17的螺紋孔并規(guī)范安裝流程等方式，減小了主體材料由于螺栓夾緊時(shí)周向受力不均勻而導(dǎo)致的局部變形，使得接頭左右半體間的密封性能得以保證。綜合考慮材料高溫膨脹性能以及安裝時(shí)的配作間隙，采用盤根環(huán)組合的密封方式，可以保證密封舌在運(yùn)行工況下的密封性能。
　　單向閥的開度限位在50mm時(shí)，裝置的內(nèi)部流動(dòng)較為穩(wěn)定，且湍動(dòng)能損失量較小，可以獲得較高的采油效率。湍動(dòng)能耗

4、散最大的部位處在單向閥的流體擾流部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量增大單向閥閥口處過度端面的錐角，并提高球閥的表面加工精度，這為裝置在降低能量損失方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　2.對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。
　　采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行表面處理，并通過材料硬度和殘余應(yīng)力的測(cè)量探究激光沖擊強(qiáng)化的效果。通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立42CrMo鋼激光沖擊強(qiáng)化的有限元模型，模擬沖擊壓力波作

5、用過程及其形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)，最后將實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　研究表明：激光沖擊強(qiáng)化對(duì)42CrMo鋼硬度、殘余壓應(yīng)力的提高具有顯著效果，硬度的影響層可達(dá)到0.6-0.7 mm，殘余壓應(yīng)力的影響層可達(dá)到0.65 mm左右。通過模擬結(jié)果可知，沖擊波作用在材料內(nèi)部可形成穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)。VonMises應(yīng)力值、殘余應(yīng)力值均隨著沖擊能量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中8J與6J雙次能量沖擊效果基本相同。殘余壓應(yīng)力在深度方向可影響0.48

6、mm。由于模擬過程中本構(gòu)模型經(jīng)過了簡(jiǎn)化處理，且采用的是單點(diǎn)沖擊，而實(shí)測(cè)值是多點(diǎn)搭接沖擊，且在測(cè)量殘余應(yīng)力前對(duì)材料的前期處理已經(jīng)產(chǎn)生了一定大小的殘余應(yīng)力。因此，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值之間存在差距符合理論常理，二者在說明激光沖擊強(qiáng)化能提高42CrMo鋼材料內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力方面具有一致性。
　　3.對(duì)激光沖擊強(qiáng)化前后的42CrMo鋼進(jìn)行高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)。
　　采用高溫腐蝕、電化學(xué)腐蝕兩種方式探究激光沖擊強(qiáng)化對(duì)42CrMo鋼耐

7、腐蝕性能的影響。通過觀察材料表面微觀腐蝕形貌并測(cè)取能譜圖衡量材料高溫抗腐蝕效果。通過測(cè)量電化學(xué)極化曲線，并觀察電化學(xué)實(shí)驗(yàn)后材料的微觀腐蝕形貌分析電化學(xué)腐蝕效果。
　　研究表明：激光沖擊強(qiáng)化處理后，42CrMo鋼高溫耐腐蝕性能得到提高。材料表面僅出現(xiàn)一些微裂紋的擴(kuò)展，表層裂紋深度也相對(duì)較淺，表面氧化膜幾乎未見脫落。
　　激光沖擊對(duì)42CrMo鋼材料表面進(jìn)行強(qiáng)化后，材料整體的耐腐蝕性能得到了明顯的提高。極化曲線的腐蝕電位總體上發(fā)