笼套式节流阀阀芯失效机理分析与改进研究

发布时间：2017-09-11 04:39

  本文关键词：笼套式节流阀阀芯失效机理分析与改进研究

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【摘要】：随着西气东输这项伟大能源工程的不断开展,作为西气东输排头兵的国内某大型气田是该工程的主要能源供应地,在国民经济和国家安全中都承担着重大的责任。在该气田开采过程中,采用笼套式节流阀(油田上俗称“油嘴”)这种特殊专用装置来平衡井底高压气体与输送处理厂前管道允许压力值间的压差,但高压气体对节流阀阀芯硬质合金的冲蚀磨损而导致的失效越来越频繁,严重影响了气田的安全生产要求,不断更换节流阀阀芯也使运营维护成本大大增加。为了保证气田生产的稳定性,降低频繁更换阀芯而增加的成本,研究气体对笼套式节流阀阀芯的失效分析就显得尤为重要,本文主要研究阀芯硬质合金冲蚀形貌特征进而分析其失效机理,并根据失效机理提出增强阀芯抗冲蚀能力及抑制氧化现象的改进技术。 本文应用失效分析理论及方法,在了解该气田工况条件的基础上,针对阀芯冲蚀严重部位进行失效分析,运用扫描电子显微镜(SEM)观察和分析硬质合金表面失效形貌,采用EDS能谱仪,结合扫描电镜观察失效部位元素成分,利用X射线衍射仪对表面物相进行分析,通过以上三种分析方法,探究节流阀阀芯硬质合金表面失效形式以及特征,判断冲蚀类型及失效原因,进而得出失效机理。 根据失效分析,总结出天然气对阀芯在节流过程中是以疲劳裂纹、冲刷作用以及氧化反应这三种形式引起材料表面损耗导致失效。根据气体对阀芯硬质合金冲蚀所导致失效的机理,提出采用表面涂层来提高阀芯硬质合金表面抗冲蚀性能以及抑制氧化现象,根据不同种涂层材料的物理、力学性能以及与基体匹配性研究分析选择适用于现场工况条件的TiN涂层材料。 对PVD、PCVD以及CVD技术沉积TiN涂层进行组织结构及物理机械性能测试,采用X射线衍射仪分析涂层表面物相和晶面择优取向,运用扫描电子显微镜观察表面组织形貌和能谱仪分析表面元素组成,采用数字式显微硬度计对表面涂层硬度进行测量,并根据载荷-压痕深度值计算出涂层弹性模量,使用MFT-4000型多功能材料表面性能试验机在涂层表面上运用划痕法来测量涂层与基体结合力,并根据划痕形貌分析膜-基结合机制。 通过对涂层的冲蚀磨损试验,分析了两种基体上不同涂层沉积工艺的冲蚀磨损特性,揭示了涂层结合力、硬度及弹性模量综合对冲蚀磨损性能的影响以及基体硬度对冲蚀磨损性能的影响。
【关键词】：笼套式节流阀阀芯 失效分析 TiN涂层 实验分析
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE974.9;TG174.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.1.1 研究背景8
• 1.1.2 研究目的意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-14
• 1.2.1 节流阀简介及冲蚀磨损概述9-10
• 1.2.2 国外冲蚀问题研究状况10-12
• 1.2.3 国内冲蚀问题研究状况12-13
• 1.2.4 硬质合金冲蚀问题研究现状13-14
• 1.3 研究内容14-15
• 第2章 节流阀阀芯失效研究分析15-43
• 2.1 失效分析目的以及步骤15-16
• 2.1.1 失效分析目的15-16
• 2.1.2 失效分析步骤16
• 2.2 节流阀硬质合金使用工作环境16-17
• 2.3 节流阀中气体节流特点及对材料表面冲击时力学分析17-18
• 2.3.1 气体节流特点17
• 2.3.2 气体对靶材冲击时的力学分析17-18
• 2.4 节流阀硬质合金基体组织结构及成分分析18-25
• 2.5 节流阀硬质合金表面材料成分分析以及硬度测试25-27
• 2.6 节流阀硬质合金失效宏观分析27-29
• 2.7 节流阀硬质合金失效表面材料微观形貌以及能谱分析29-39
• 2.8 节流阀硬质合金失效表面材料X射线衍射分析39-40
• 2.9 气体冲蚀磨损机理分析40-41
• 2.10 本章小结41-43
• 第3章 硬质合金涂层设计与制备43-56
• 3.1 硬质合金表面涂层材料选择43-48
• 3.1.1 硬质合金涂层材料选择原理43-44
• 3.1.2 常用硬质合金涂层材料44-46
• 3.1.3 硬质合金涂层与基体匹配性研究46-48
• 3.2 硬质合金涂层工艺方法的选择48-49
• 3.3 TIN硬质涂层的制备49-52
• 3.3.1 物理气相沉积法(PVD)49-50
• 3.3.2 化学气相沉积法(CVD)50-51
• 3.3.3 等离子体化学气相沉积法(PCVD)51-52
• 3.4 TIN硬质涂层性能检测手段52-55
• 3.4.1 硬度与弹性模量测量52-53
• 3.4.2 涂层厚度测量53
• 3.4.3 膜-基(涂层与基体间)结合强度测量53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 氮化钛涂层组织结构及物理机械性能研究56-69
• 4.1 涂层的物相分析56-59
• 4.2 涂层微观结构分析59-60
• 4.3 涂层的物理机械性能60-67
• 4.3.1 涂层硬质合金显微硬度及弹性模量60-62
• 4.3.2 涂层厚度测试62
• 4.3.3 涂层与基体的结合力62-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第5章 氮化钛涂层冲蚀磨损试验分析69-81
• 5.1 TIN涂层冲蚀磨损试验方法69-71
• 5.1.1 冲蚀磨损试验装置69-70
• 5.1.2 冲蚀磨损量的测量70-71
• 5.2 TIN涂层冲蚀磨损特性71-74
• 5.3 TIN涂层冲蚀磨损特性分析74-80
• 5.3.1 涂层结合力对冲蚀磨损性能影响74-76
• 5.3.2 涂层硬度对冲蚀磨损性能影响76-77
• 5.3.3 涂层硬度与弹性模量比值对冲蚀磨损性能影响77-79
• 5.3.4 基体硬度对冲蚀磨损性能影响79-80
• 5.4 本章小结80-81
• 第6章 结论及展望81-83
• 6.1 结论81-82
• 6.2 创新点82
• 6.3 展望82-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张晓东;贾国超;吴臣德;;空气钻井钻具冲蚀磨损机理的分析[J];西南石油大学学报(自然科学版);2009年02期

2 沈廷山，，陈贞祥，朱英臣;氮化钛涂层刀具及其应用[J];组合机床与自动化加工技术;1994年08期

3 马淳安,褚有群,黄辉,成旦红,周邦新;WC-Co硬质合金的相组成及其相变[J];浙江工业大学学报;2003年01期

本文编号：828705