远程控制试压泵气控针阀的改进

远程控制试压泵气控针阀的改进

田原

中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司，山东 东营357000

摘要

介绍了当前远程控制试压泵气控针阀的原理，并分析了密封失效的原因。后对气控针阀的结构进行了改进，改进后的气控针阀寿命长、故障率低，降低了试压成本，提高了试压工作效率。

关键词：气控针阀；远程控制试压泵；液力助封；改进

气控针阀是远程控制试压泵中的重要部件。井控装置试压操作人员通过远程控制气控针阀的开闭状态，遥控试压件进行卸荷操作，避免了试压操作人员进入试压区内进行泄压操作，确保操作人员的人身安全。目前，远程控制气动试压泵上的气控针阀存在着使用寿命短、价格昂贵的缺点，且气控针阀密封失效时无法进行修复，只可进行更换处理。经设备使用半年来的统计，平均每进行22次试压卸荷动作，便会造成一只气控针阀的密封失效。直接影响到试压工作效率，并使试压设备维修维护成本大幅增加。

1 气控针阀的原理及密封失效原因分析

气控针阀的结构如图1所示。气控针阀主要由压力弹簧、气缸、阀体、阀杆、阀座等部件构成。气控针阀的原理可简述为：当气控针阀处于关闭状态时，弹簧顶住活塞带动阀针向下运动，阀针与阀座紧密配合，实现可靠密封；当上游电磁阀动作，高压气体经过电磁阀对气控针阀进行供气时，压缩空气作用在活塞上，活塞带动阀杆，克服阀杆动作摩擦力和弹簧弹力，带动阀杆向上运动，使得阀杆与阀座分离，实现试压系统的卸荷。

1—压力弹簧；2—气缸；3—阀体；4—阀杆；5—阀座

图1：气控针阀的结构示意图

围绕着由于气控针阀造成的密封失效这一中心，对使用此结构的气控针阀密封失效问题进行原因分析：①气动泵经常在高压条件下工作（70MPa），且由于气动泵的升压特点，在升压过程中激动压力较高，较高的激动压力中和了一大部分弹簧向下的顶紧力，使得阀针与阀座的顶紧力减小，降低了密封效果；②阀针与阀座的材质均使用优质合金钢经机加工热处理制成，经测试，硬度仅为HRC 58，经过多次的承压与卸荷，极易被试压介质冲蚀；③试压介质中可能存在杂质，较大颗粒杂质堵塞在阀针与阀座之间，造成密封面密封不严，加剧了试压介质对密封件的冲蚀；④气控针阀在高压使用的过程中，随着使用次数的增加，使得运动密封部件磨损加剧，密封部件的配合间隙发生变化，也是造成密封失效的可能原因。

2 气控针阀的改进

针对以上原因分析，首先考虑进行气控针阀的结构改进。改进原则为：改进方法简便易行，尽量不改变整个阀体进出液口的位置，使得改进后的气控针阀既可在原有部位进行替换，又可解决由于气控针阀造成的密封失效问题。

改进后的气控针阀结构如图2所示，由气缸、阀体、阀针、密封球、球座、初始密封弹簧等部件组成。原理可简述为：改进后的气控针阀处于密封状态时，初始密封弹簧将密封球顶在阀座上提供初始密封，升压过程中，随着从阀件右端入口处进入的试压液压力升高，密封球与阀座之间的作用力也随之增大，试压液助封作用明显，密封可靠。试压完成后接通气源，活塞自上而下推动阀针向下移动顶开密封球即可实现泄压，泄压完毕后进气口（保压）得气，使得阀针上行，密封球在始密封弹簧的弹力作用下，推到阀座上实现初始密封状态。

1—气缸；2—阀体；3—阀针；4—密封球；5—球座；6—初始密封弹簧

图2：改进后的气控针阀结构示意图

2.1 整体密封原理的改进

创新性地将防喷器液力助封的设计思路引入气控针阀。液力助封是指：由于密封体在压力液中的受压的面积不均衡，从而导致整个密封体向液出口处受压的现象。试压介质压力越大，助封效果越明显[1]。应用在改进后的气控针阀中，弹簧将密封球顶在阀座上，为整阀提供初始密封，后由于试压液体的逐渐升高，液力助封的作用也逐渐增强，形成可靠密封。

2.2 密封部件的改进

首先是密封部件的材质改变使表面硬度增高。改进后气控针阀的密封球和阀座均为陶瓷材质，使得密封部件的表面硬度达到HRC 95以上。表面硬度作为影响密封效果的关键因素，使得密封部件抗冲蚀能力大大增强，直接将影响阀件整体的使用寿命。

其次是密封部件形状改变。与之前固定的阀针和固定的阀座不同，改进后气控针阀的密封球为一球形密封件，当气控针阀内部压力波动（即卸荷）时，密封球可在阀座内进行旋转和蠕动。在泄压的过程中，试压液的冲刺位置不停地改变。因此，改进后的气动针阀整个球面都有可能是阀的密封面，减小了试压介质对密封部位的冲蚀，相较于改进前固定阀针阀座的线性密封，改进后气控针阀的可能密封面积大大增加。

3 应用情况

对改进后的气控针阀进行了安装并进行使用，安装使用结果表明：①改进后的气控针阀替换性好。改进后的气控针阀外形大小，液体进出口的位置均无改变，可完全在原位置替代旧阀使用。②改进后的气控针阀使用寿命明显增加。目前已进行了120余次卸荷动作，密封效果依然良好，拆开阀体后进行检查，密封部件无损伤，按照当前的使用状况，保守预计使用寿命将提升5倍以上。

4 结论

（1）对远程控制试压泵的气控针阀进行了结构和材质改进，主要改变了密封形式与密封件材质，解决了旧气控针阀经常发生密封失效的问题，降低了设备的故障率与设备的维修时间，提高了试压工作的效率。

（2）改进后的气动针阀使用寿命大幅提高，减少了旧阀更换的次数，整阀在正常工作下的使用寿命将提升5倍以上，使得单次试压成本降低。

（3）本次改进将气动针阀的结构改进和设备过滤系统的整体改进相结合，以气控针阀为分析节点，从整个试压泵系统的层面，对产生气控针阀密封问题的所有重要及可能因素进行统一协调改进，最终解决密封失效问题。

参考文献：

[1] 中石化集团公司井控教材编写组.钻井技术、管理人员井控技术[M].山东东营：中国石油大学出版社，2013：195-196.