一种液力端阀箱内腔及柱塞端密封孔修复方法

摘要

本发明提供了一种液力端阀箱内腔的修复方法，首先对待修复液力端阀箱内腔进行机械加工，使内腔预留单边修复尺寸；然后对内腔进行抛丸处理和清洁处理；再对内腔进行基础修复，形成打底焊层，在打底焊层上进行n层焊接熔覆修复，形成n层修复焊层，最后将焊接修复后的内腔进行机械精加工。该修复方法同样适用于柱塞端密封孔的修复。本发明提供的修复方法简单，容易控制，且修复后的液力端阀箱和柱塞端密封孔在50～100MPa条件下现场压裂施工，使用时间可以达到200h。通过对液力端阀箱和柱塞端密封孔的修复可以大幅降低压裂石油的设备成本。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接修复的技术领域，特别涉及一种液力端阀箱内腔及柱塞端密封孔修复方法。

背景技术

液力端阀箱是应用于石油钻采设备领域的一种核心关键部件，主要是用于压裂地层3000～7000米的深度形成地缝并利用高压注入各种支撑剂，在地层形成储油层的一种承受高压、大排量、耐腐蚀的专用设备。

柱塞泵液力端主要是靠吸入端自吸入低压流体并将其转换为高压流体从排出端排出的一种装置。液力端阀箱在压裂设备领域是名副其实的易损件，使用寿命根据油田压裂工况不同也不尽相同，在低压的常规水力压裂工艺条件(低酸、低压、小排量、间歇作业)下可以使用300～500小时；高压高酸大排量间歇作业条件下可以使用200～240小时；页岩气、油、致密油气、煤层气等非常规开采条件下(高酸、高压、大排量、连续作业)其使用寿命只有160～220小时。而一台液力端的总成本需要几十万人民币，尽管采用了工程师们采取了改进材料、优化结构、运用新的表面处理工艺等等方面提高其使用寿命，但收到的效果只能达到20～30％的寿命提升，但在成本上还是增加了不少，其综合一下在成本和效率上并没有多少提高。所以降低液力端阀箱的制造成本，提高液力端阀箱的使用寿命是降低我国石油开采成本是重要的一环。

液力端阀箱是压裂车上必备的易损部件，其性能对石油开采及压裂作业至关重要。由于压裂泵长期工作于恶劣的环境下，其阀箱结构复杂，尽管采用了成本很高的优质钢材和精细加工工艺，也会因超高压、大排量、高砂比的作用下，很快腐蚀开裂而报废，目前国际上最高的制造水平，在常规压裂工作条件下，工作时间不过在200小时左右。

通过大量对现场已经失效开裂的液力端阀箱和柱塞端做的失效分析报告显示，其主要失效的方式是由点腐蚀造成的密封失效和开裂。失效阀箱部位和柱塞端本体取样显示其材料的力学性能较原始状态的力学性能的并没有多大损失，性能衰减平均在10％左右，所以材料本身的开裂并不是达到了极限使用寿命，因此在阀箱和柱塞端没有失效前对其修复使其可以达到再次使用的性能可以最大限度的提高使用寿命，降低压裂开采成本。但是，目前并没有有效的修复方法。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种液力端阀箱内腔及柱塞端密封孔修复方法。本发明提供的修复方法可以对液力端阀箱内腔和柱塞端密封孔进行有效修复，提高液力端阀箱和柱塞端的使用寿命，降低压裂开采的成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种液力端阀箱内腔修复方法，包括以下步骤：

(1)对待修复液力端阀箱内腔进行机械预加工，加工至内腔的预留单边修复尺寸为4～5mm；所述待修复液力端阀箱为出现开裂但未失效的液力端阀箱；

(2)对机械加工后的内腔表面依次进行抛丸处理和清洁处理；

(3)对清洁处理后的内腔进行基础焊接熔覆修复，在内腔表面形成一层过渡层；所述过渡层的厚度≥1mm；所述基础焊接用焊材为软质焊材；

(4)在所述过渡层表面依次进行n层焊接熔覆修复，形成n层修复焊层；所述n≥2；所述n层修复焊层和过渡层的总堆焊有效厚度≥5mm；所述步骤(4)中焊接用焊材的力学性能和抗腐蚀性能高于待修复液力端阀箱母材；

(5)将所述步骤(4)焊接修复后的液力端阀箱内腔进行机械精加工。

优选的，所述步骤(3)和步骤(4)中的焊接为非熔化极惰性气体钨极保护焊。

优选的，所述步骤(3)和步骤(4)中焊接的方法为环形自动旋转多道焊；

所述焊接的自动脉冲焊频率独立地为2.5～5.0HZ，脉冲比独立地为40～60％；

所述焊接的主电流独立地为150～210A；

所述焊接的热丝电流独立地为30～70A；

所述焊接的热丝电压为14V；

所述焊接的电流极性为直流反接；

所述焊接用焊材规格独立地为φ1～3mm；

所述焊接的保护气体为氩气；所述氩气的流量独立地为16～19L/min；

所述焊接的喷嘴直径尺寸独立地为φ8～10mm；

所述焊接的送丝速度独立地为1500～2000mm/min；

所述焊接的速度独立地为100～500mm/min；

所述焊接的层间温度独立地为＜200℃；

所述焊接的热输入功率独立地为0.4～0.6KJ/mm。

优选的，所述步骤(3)和步骤(4)中焊接用焊材的材质独立地为铁基、镍基或不锈钢；

所述液力端阀箱母材为碳钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材为ER49、ER50或ERCoCR-A；

所述液力端阀箱母材为合金钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材为EDZCr-C-15、ER50或ERCoCR-A；

所述液力端阀箱母材为不锈钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材为A022Mo、E317L-16、ER49、ER50或ERCoCR-A。

优选的，所述步骤(3)中基础焊接熔覆修复前还包括液力端阀箱焊前预热；所述预热的温度为160～200℃，预热的时间为2～3h。

优选的，所述步骤(3)～(4)的焊接过程中液力端阀箱的温度不低于150℃。

优选的，所述步骤(4)中n层焊接熔覆修复后还包括保温处理；所述保温的温度为160～200℃；所述保温的时间为4～5h。

优选的，所述步骤(2)中抛丸处理后内腔表面的粗糙度为1～100μm。

本发明提供了一种柱塞端密封孔的修复方法，按照上述方案所述的方法，将所述待修复液力端阀箱内腔替换为柱塞端密封孔，对柱塞端密封孔进行修复。

本发明提供了一种液力端阀箱内腔修复方法，首先对待修复液力端阀箱内腔进行机械加工，使内腔预留单边修复尺寸；然后对内腔进行抛丸处理和清洁处理；再对内腔进行基础修复，形成打底焊层，在打底焊层上进行n层焊接熔覆修复，形成n层修复焊层，最后将焊接修复后的内腔进行机械精加工。本发明提供的修复方法简单，容易控制，且修复后的液力端阀箱在50～100MPa条件下进行压裂施工，可继续使用200h左右，通过对液力端阀箱的修复可以大幅降低压裂石油的设备成本。

本发明还提供了一种柱塞端密封孔的修复方法，修复过程和液力端阀箱内腔的修复过程一致；修复后的柱塞端在50～100MPa条件下进行压裂施工，可继续使用200h左右。

具体实施方式

本发明提供了一种液力端阀箱内腔修复方法，包括以下步骤：

(1)对待修复液力端阀箱内腔进行机械预加工，使内腔的预留单边修复尺寸为4～5mm；所述待修复液力端阀箱为出现开裂但未失效的液力端阀箱；

(2)对机械预加工后的内腔表面依次进行抛丸处理和清洁处理；

(3)对清洁处理后的内腔进行基础焊接熔覆修复，在内腔表面形成一层过渡层；所述过渡层的厚度≥1mm；

(4)在所述过渡层表面依次进行n层焊接熔覆修复，形成n层修复焊层；所述n≥2；所述n层修复焊层和过渡层的总堆焊有效厚度≥5mm；所述步骤(4)中焊接用焊材的力学性能和抗腐蚀性能高于步骤(3)中焊接用焊材；

(5)将所述步骤(4)焊接修复后的液力端阀箱内腔进行机械精加工。

本发明对待修复液力端阀箱内腔进行机械预加工，加工至内腔的预留单边修复尺寸为4～5mm。在本发明中，所述待修复液力端阀箱为出现开裂但未失效的液力端阀箱，优选为使用200h后的液力端阀箱。本发明对阀箱内腔尺寸进行机械预加工，保证预留的单边修复尺寸为4～5mm，从而保证修复层厚度。本发明对所述机械预加工的具体方法没有特殊要求，能够达到本发明要求的加工尺寸即可，具体的如车、铣、磨等。

预加工完成后，本发明对机械加工后的内腔表面依次进行抛丸处理和清洁处理。在本发明中，所述抛丸处理后内腔表面的粗糙度优选1～100μm，更优选为1～20μm，进一步优选为6～6.5μm，最优选为6.3μm；本发明对所述抛丸处理的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的抛丸处理，能够达到要求的表面粗糙度即可。本发明通过抛丸处理增加内腔表面的粗糙度，从而使过渡层焊接材料能与阀箱内腔表面有足够的黏合性。

在本发明中，所述清洁处理优选为采用汽油清洗；本发明通过清洁处理去除内腔表面的油污、锈迹等杂质污垢，避免杂质对焊接材料与基体材料的粘合性能产生影响。

清洁处理完成后，本发明对清洁处理后的内腔进行基础焊接熔覆修复，在内腔表面形成一层过渡层。本发明优选对液力端阀箱进行预热处理后再进行基础焊接，所述预热处理的温度优选为160～200℃，更优选为180℃，所述预热的时间优选为2～3h，更优选为2h。本发明优选使用热处理炉对液力端阀箱进行预热，本发明通过预热为后续的焊接提供良好的温度条件。

预热完成后，本发明将阀箱出炉，对内腔进行基础焊接熔覆修复。在本发明中，所述焊接优选为非熔化极惰性气体钨极保护焊(TIG焊)；所述焊接的自动脉冲焊频率优选为2.5～5.0HZ，更优选为3～4HZ，脉冲比优选为40～60％，更优选为50％，焊接的主电流优选为150～210A，更优选为180～200A，焊接的热丝电流优选为30～70A，更优选为40～60A，焊接的热丝电压优选为14V，焊接的电流极性优选为直流反接(DCEN)，焊接用焊材的规格优选为φ1～3mm，更优选为φ2mm，焊接的保护气体优选为氩气；所述氩气的混合比优选为99.999％，所述氩气的流量优选为16～19L/min，更优选为18L/min，焊接的喷嘴直径尺寸优选为φ8～10mm，更优选为φ10mm，焊接的送丝速度优选为1500～2000mm/min，更优选为1600～1800mm/min，焊接的速度优选为100～500mm/min，更优选为200～400mm/min，焊接的层间温度优选为＜200℃，更优选为100～150℃，焊接的热输入功率优选为0.4～0.6KJ/mm，更优选为0.5KJ/mm。

在本发明中，所述基础焊接用焊材优选为软质焊材，所述焊材的材质优选为铁基、镍基或不锈钢；本发明优选根据待修复液力端阀箱的材质选择焊材的材质；在本发明的具体实施例中，所述基础焊接用焊材优选为不锈钢ER309LMo。在焊接过程中，焊枪优选呈45°自动旋转从内向外匀速焊接，确保中间不出现断丝或者停止，从而保证焊后材料的性能。

在本发明中，所述过渡层的厚度优选≥1mm，更优选为1～2mm。本发明通过基础焊接在阀箱内腔表面形成一层过渡层，以粘合基体材料与修复焊层材料。

基础焊接完成后，本发明在过渡层表面依次进行n层焊接熔覆修复，形成n层修复焊层。在本发明中，所述n≥2，优选为2～5；所述n层修复焊层和过渡层的总堆焊有效厚度≥5mm，优选为5～6mm；本发明对所述n层修复焊层的单层厚度没有特殊要求，只要n层修复焊层和过渡层的总堆焊有效厚度能够达到上述要求即可。

在本发明中，所述步骤(4)中焊接用焊材的材质优选为铁基、镍基或不锈钢；所述步骤(4)中焊接用焊材的力学性能和抗腐蚀性能高于液力端阀箱母材；在本发明的具体实施例中，所述液力端阀箱母材为碳钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材优选为ER49、ER50或ERCoCR-A；所述液力端阀箱母材为合金钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材优选为EDZCr-C-15、ER50或ERCoCR-A；所述液力端阀箱母材为不锈钢时，所述步骤(4)中焊接用焊材优选为A022Mo、E317L-16、ER49、ER50或ERCoCR-A。本发明通过在过渡层表面使用高性能焊材进行多层熔覆修复，使液力端阀箱内腔的开裂处能够得到良好的修复。

在本发明的具体实施例中，优选在过渡层表面依次进行第一层至第n层焊接熔覆修复，后一层焊接熔覆修复优选延前一层焊层的焊接波谷焊接，以保证焊层之间熔合性能。在本发明中，所述n层焊接熔覆修复过程的焊接条件和上述方案一致，在此不再赘述。

在本发明中，所述步骤(3)～(4)的焊接过程中液力端阀箱的温度优选不低于150℃，更优选为160～180℃；本发明通过保证液力端阀箱的温度以确保焊接熔覆修复的顺利进行。

n层焊接熔覆修复完成后，本发明优选将焊接修复后的液力端阀箱入炉保温4小时，以消除焊接应力；所述保温的温度优选为160～200℃，在本发明的具体实施例中，优选在焊接温度下进行保温即可，无需进行额外的加热或降温。

保温完成后，本发明优选将液力端阀箱出炉空冷至50℃。

空冷后，本发明优选检测修复后的液力端阀箱内腔的几何尺寸，以确保后续精加工过程中有足够的加工余量。本发明优选根据后续精加工过程采用的具体方法来确定此处的加工余量，若后续采用车工进行精加工，则焊接修复后的精加工余量优选为2mm。本发明通过内腔几何尺寸检测确定是否有足够的加工余量，若加工余量不够，则优选再继续进行上述方案所述的焊接熔覆修复，直至有足够的精加工余量。

几何尺寸检测后，本发明优选对修复后的液力端阀箱进行无损检测，所述无损检测优选包括UT超声波检测、PT渗透检测和RT目视检测，通过UT超声波检测阀箱内部是否有缺陷(裂纹、夹渣、气孔、未熔合)，通过PT渗透检测表面是否有缺陷(裂纹、夹渣、气孔)，通过RT目视检测宏观表面是否合格(气孔、裂纹、底切、飞溅、焊瘤、焊缝尺寸)。在本发明中，若无损检测不合格，则优选去除修复层，重新按照上述方案所述方法进行焊接修复。

无损检测完成后，本发明优选对修复后的液力端阀箱进行力学性能检测，以确保熔合部位力学性能符合要求。在本发明中，所述力学性能检测优选测试熔合线下1.5mm处基体材料的力学性能，按照ASTM A370标准进行检测。若检测力学性能不合格，本发明优选去除修复层，重新按照上述方案所述方法进行焊接修复。

无损检测完成后，本发明优选对液力端阀箱进行金相检测，宏观验证焊接截面无熔合线，夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷。本发明对所述金相检测的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的金相检测方法即可。在本发明中，若金相检测不合格，本发明优选去除修复层，重新按照上述方案所述方法进行焊接修复。

金相检测完成后，本发明将修复后的液力端阀箱进行机械精加工，加工至所需的精加工尺寸。在本发明中，所述精加工优选为车、铣、磨。

精加工后，本发明优选依次对精加工后的液力端阀箱进行表面PT渗透探伤和全尺寸终检；本发明通过表面PT渗透探伤检查表面有无夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷；通过全尺寸终检最终确定修复后的液力端阀箱的尺寸是否符合要求。

全尺寸终检合格后，本发明优选将液力端阀箱进行清理，装配，然后进行压力测试；所述压力测试优选为水压测试，具体为在阀箱内部打压至额定压力的1.5倍，并保压15分钟不泄露，然后解体检测焊接修复部位是否出现变形，若出现变形，则优选去除修复层，重新按照上述方案所述方法进行焊接修复。

本发明还提供了一种柱塞端密封孔的修复方法，将所述待修复液力端阀箱内腔替换为柱塞端密封孔，按照上述方案所述的方法对柱塞端密封孔进行修复即可，具体的包括柱塞端密封孔的机械预加工、基础焊接、n层焊接熔覆修复、性能检测和机械精加工；各个步骤的操作方法和上述方案一致，在此不再赘述。

在本发明中，若修复后的液力端阀箱和柱塞端密封孔使用一段时间后再次出现密封失效或开裂问题，可再次使用本发明的方法进行修复。

下面结合实施例对本发明提供的一种液力端阀箱内腔及柱塞端密封孔修复方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

第一步：选使用200h后的液力端阀箱，对压力端阀箱内腔进行加些预加工，加工至内腔尺寸的预留单边修复尺寸为4～5mm。

第二步：加工后的内腔表面经抛丸处理保证表面粗糙度6.3，保证打底不锈钢材料能与阀箱内孔表面有足够的黏合性。

第三步：使用汽油清洁阀箱内腔，去除其表面杂质污垢。

第三步：焊前预热，调整热处理炉温度至180℃。

第四步：待修复阀箱入炉保温2小时。

第五步：焊前检查确认

设备TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding)非熔化极惰性气体钨极保护焊

焊接方法GTAW-Pulsed-Hot wire自动旋转多道焊(环形)

自动脉冲焊频率 2.5～5.0HZ 脉冲比50％

主电流 150A

热丝电流 30A

热丝电压 14V

电流极性 DCEN

焊材规格 φ1.2mm

保护气体Ar 混合比99.999％ 流量16L/min

喷嘴直径尺寸 φ10mm

送丝速度 1500mm/min

焊接速度 300mm/min

层间温度 ＜200℃

热输入功率 0.5KJ/mm

第六步：阀箱出炉，保证焊接修复时温度阀箱≮150℃状态下按照工艺进行修复，修复第一层采用不锈钢ER309LMo焊材打底，控制焊接熔覆速度，保证焊层厚度2mm,焊枪呈45°自动旋转从内向外匀速焊接，中间不允许断丝或者停止。

第七步：修复第二层采用高于母材性能不锈钢焊材ERCCoCr-A作为主焊材进行熔覆修复，延过渡层焊接波谷焊接保证焊层之间熔合性能。

第八步：修复第三层继续用不锈钢焊材ERCCoCr-A作为主焊材进行熔覆修复，延最根部波谷焊接保证焊层之间的熔合性能；保证三层修复焊层堆焊有效厚度＞5mm。

第九步：焊后入炉保温4小时，消除焊接应力。

第十步：出炉空冷至50℃。

第十一步：修复内孔几何尺寸检查保证焊接后加工余量。

第十二步：对修复后的液力端阀箱进行无损检测，包括UT超声波检测、PT渗透检测和RT目视检测；无损检测结果合格。

第十三步：测试熔合线下1.5mm处基体材料的力学性能，按照ASTM A370标准进行检测，结果显示力学性能合格。

第十四步：对修复后的液力端阀箱进行金相检测，显示焊接截面无熔合线，夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷。

第十五步：对修复后的液力端阀箱进行机械精加工至最终精加工尺寸。

第十六步：对精加工后的液力端阀箱进行表面PT渗透探伤，结果显示表面没有无夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷。

第十七步：全尺寸终检

第十八步：清理、装配

第十九步：压力测试，检验密封配合性能

第二十步：解体检查，显示焊接修复部位没有出现变形。

将修复后的液力端阀箱继续投入使用，在50～100MPa条件下现场压裂施工，使用时间可以达到200h。

实施例2

其他步骤和实施例1一致，仅将第五步中焊接参数进行改变，所述焊接的参数如下：

设备TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding)非熔化极惰性气体钨极保护焊

焊接方法GTAW-Pulsed-Hot wire自动旋转多道焊(环形)

自动脉冲焊频率 2.5～5.0HZ 脉冲比50％

主电流 180A

热丝电流 60A

热丝电压 14V

电流极性 DCEN

焊材规格 φ1.2mm

保护气体Ar 混合比99.999％ 流量19L/min

喷嘴直径尺寸 φ10mm

送丝速度 2000mm/min

焊接速度 500mm/min

层间温度 ＜200℃

热输入功率 0.5KJ/mm；

焊接完成后对修复后的液力端阀箱依次进行几何尺寸检查、无损检测、力学性能检测和金相检测，检测结果均为合格；

对修复后的液力端阀箱进行机械精加工至最终精加工尺寸；对精加工后的液力端阀箱进行表面PT渗透探伤，结果显示表面没有无夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷。

对精加工后的液力端阀箱依次进行全尺寸终检、清理和装配，然后进行压力测试，解体检查，显示焊接修复部位没有出现变形。

将修复后的液力端阀箱继续投入使用，在50～100MPa条件下现场压裂施工，使用时间可以达到200h。

实施例3

其他步骤和实施例1一致，仅将第五步中焊接参数进行改变，所述焊接的参数如下：

设备TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding)非熔化极惰性气体钨极保护焊

焊接方法GTAW-Pulsed-Hot wire自动旋转多道焊(环形)

自动脉冲焊频率 2.5～5.0HZ 脉冲比50％

主电流 210A

热丝电流 70A

热丝电压 14V

电流极性 DCEN

焊材规格 φ1.2mm

保护气体Ar 混合比99.999％ 流量18L/min

喷嘴直径尺寸 φ10mm

送丝速度 1800mm/min

焊接速度 200mm/min

层间温度 ＜200℃

热输入功率 0.5KJ/mm；

焊接完成后对修复后的液力端阀箱依次进行几何尺寸检查、无损检测、力学性能检测和金相检测，检测结果均为合格；

对修复后的液力端阀箱进行机械精加工至最终精加工尺寸；对精加工后的液力端阀箱进行表面PT渗透探伤，结果显示表面没有无夹渣、气孔、裂纹等线性缺陷。

对精加工后的液力端阀箱依次进行全尺寸终检、清理和装配，然后进行压力测试，解体检查，显示焊接修复部位没有出现变形。

将修复后的液力端阀箱继续投入使用，在50～100MPa条件下现场压裂施工，使用时间可以达到200h。

由以上实施例可知，本发明提供修复方法步骤简单，容易操作，修复效果好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。