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)時的智能轉(zhuǎn)換。以Y接頭主體材質(zhì)42CrMo鋼為研究對象，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)化對其耐腐蝕性能的影響，主要研究內(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)部流場模擬試驗(yàn)
　　對加工出的樣機(jī)進(jìn)行常溫及高溫下的功能和密封性驗(yàn)證，不斷對樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。利用ANSYS軟件對裝置單向閥在四個不同開度下的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬，比較分析了單向閥處于不同開度時裝置內(nèi)部流場的速度分布圖和湍動能分布圖。
　　研究表明：通過對金屬O型密封圈安裝凹槽尺寸優(yōu)化調(diào)整去除0.

3、3mm余量，對金屬O型圈壁厚及鍍層進(jìn)行改進(jìn)，在相鄰的兩個螺栓孔之間分別增加一個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，裝置的內(nèi)部流動較為穩(wěn)定，且湍動能損失量較小，可以獲得較高的采油效率。湍動能耗

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42CrMo鋼進(jìn)行表面處理，并通過材料硬度和殘余應(yīng)力的測量探究激光沖擊強(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，最后將實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。
　　研究表明：激光沖擊強(qiáng)化對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。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，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)過了簡化處理，且采用的是單點(diǎn)沖擊，而實(shí)測值是多點(diǎn)搭接沖擊，且在測量殘余應(yīng)力前對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取能譜圖衡量材料高溫抗腐蝕效果。通過測量電化學(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較淺，表面氧化膜幾乎未見脫落。
　　激光沖擊對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)