安少云

(承德石油高等专科学校机械工程系，河北 承德 067000)

某些特殊合金中具存在有形状记忆效应这一现象是由美国人在上世纪60年代发现的，这种形状记忆合金材料已经被公认为是可以代替以往金属连结结构中最安全的连接材料[1］，然而从目前开发成型的产品来看，虽然种类很多，但在油井设施中利用记忆合金这种新型功能材料的实例是少之又少。经过大量的调查发现，目前我国油田生产中使用的封隔器其使用寿命都很短，大多一年至一年半油井封隔器就会失效，造成极大的浪费。分析原因，主要是封隔器内部的密封部位橡胶材料，其耐久性、耐腐蚀性比较差，在工作时会同时受到高温和管道挤压的双重作用，特别容易发生老化继而造成碎裂，使得封隔器工作中的密封作用逐渐消失。假如当密封件不再起到密封作用，那么整个采油工作难以继续进行，造成生产中断。另外，在发生皮碗密封碎裂的同时，许多橡胶密封体掉入到原油中，造成了原油清洁费用的提高。将我国和国外的采油生产过程对比，我国在原油的开采成本上大大超过国外具有先进采油技术的国家，而对有问题的封隔器进行维修和替换是非常困难的。因此开发具有长寿命的封隔器是十分必要的。

根据以往用不锈钢合金丝材绕制成的密封体力学性能研究，结论表明:由不锈钢合金制造的金属密封体的应力与应变在变化的阶段方面出现了明显的加工硬化的现象，而且变化不会同步进行。而新的记忆合金材料的弹性模量和回复力变化幅度稍稍落后于应变的开始阶段，但变化的幅度要比应变大得多。这种材料随着外力的变化而发生的变形现象能预防合金材料发生太大的尺寸变化，因而采用功能金属材料开发的一些密封装置不需要增加其他的附属实验装置。尽管以往研究的各种合金材料能够随外力的增加发生较大的变形而不发生破坏，可是如果变形量超过合金其最大值时，合金材料就会产生剩余变形。而如果采用新型的形状记忆合金材料来代替以往其他合金材料制造的金属密封件则可以解决很多问题。众多的研究结果表明:一些特殊合金具有着较好的形状记忆效应，这些合金当加热后，如果升高温度超过合金的奥氏体开始相变结束温度，记忆合金的形状就会发生自动恢复的现象，所以如果应用这种材料制备的封隔器密封体，当在油田现场中发生残留变形时，只要当生产任务结束后对这种材料制成的封隔器进行加热保温处理，变形则会消除彻底，这也正是本次研究所提出的研究思路。

为解决采油井下封隔器密封问题，本文研究并制备了新型功能合金-镍钛合金密封件[2］，从其外形尺寸恢复程度和力学性能两个角度进行了试验并加以分析。第一步首先对这种合金弹簧丝进行实验，记录了预变形量与TiNi合金密封材料超弹性的变化关系曲线，并测定TiNi合金的力学性能;其次测试TiNi经过多次坐封解封循环次数对TiNi合金密封件超弹性的影响;然后将两种类型的合金试件在压力下尺寸发生变化，当外力去掉后，密封件的外形尺寸发生变化，外形没有完全恢复，留下少量的变形，随之把密封件放入热处理炉中内进行加热保温时效处理，得到密封件试样的外形尺寸恢复性能;然后将这些试件再次安装在力学试验机上并测试它们在循环载荷下的力学性能[3］，这是为了进一步分析形状记忆合金密封件在外形尺寸基本恢复以后能否保持稳定的力学性能。

1 NiTi合金金属密封件的性能实验

本文研究中采用的合金由北京有色金属研究院所制造，原料采用TiNi合金，加工成弹簧丝，合金材料的组织相变温度为:马氏体组织开始发生相变时的温度Ms是58℃，马氏体组织结束相变的最终温度Mf为11.8℃，奥氏体组织开始转变温度As=36.8℃，奥氏体组织结束转变的温度Af是75℃。如果想使得合金具有良好的多次双程记忆效应，应该对TiNi合金密封件的变形自回复功能进行研究，同时也要对具有其可控性进行了解。本实验试样的实验阶段分成了以下三大阶段:1)把粗直径的TiNi合金丝拉拔成直径较小的合金丝、通过相应的绞丝设备绕制成为弹簧形状试件;2)将螺旋弹簧试件按一定方式编织成薄薄的网状结构，并将这个结构制成密封件的形状;3)密封件试样放入相应的模具中进行冲压，得到准确形状。在本试验中，记忆合金弹簧丝的外直径为19 mm，密封件成型尺寸为5 cm，加工过程中在两步之间进行了加热保温即时效热处理，即在第一阶段结束将记忆合金弹簧丝加热到500℃并保温30 min，然后冷却到220℃。

1.1 密封件的变形自回复性能实验

1.1.1 实验准备

在力学性能实验室为研究NiTi合金密封件材料的发生变形后当外力去除后密封件变形恢复后的性能变化情形，进行了以下试验:

对密封件试件在压力的作用下尺寸发生了变化，使之应变量达到43%，这时发生的塑性变形相对原件本身变形量较大，随后将发生变形的密封件试样放人热处理炉中加热。由于NiTi合金材料随着温度的变化发生了形状记忆现象，当温度升高到奥氏体转变终了温度以后时，试件的残留变形完全消失，外形恢复。在NiTi合金密封试件形状恢复阶段，在实验室用温度测试仪表和形变测试仪表同步进行试件变形和内部温度变化的测量，观测记录它们之间的变化，试验中安装了两台形变测试表，分别在两个相互垂直的方向上来进行密封件形变量的测试，一个垂直试件受拉的加工方向放置，另一个沿试件受压的加工方向放置，然后在两个方向上分别测量试件的形变量，将测温度表安装在试件内部，以便准确地测量试件内部温度。当试件变形回复后，将两种试件再次安装在拉伸试验机上测试其力学性能。

1.1.2 NiTi合金密封件的变形恢复实验结果

图1表示了经过不同处理后的两种NiTi合金试件，当进行残余变形消失过程中所测定的温度与外形的变化过程也就是外力变化-应力与形变量-应变之间发生的变化关系。在图1中的负应变值表示试样的残留形变数值，零应变数值表示密封件试样尺寸完全恢复尺寸，剩余形变量为零，正应变的数值代表试件发生了过恢复的情况。在图1中，对所选试件施加外应力，并对试件进行了时效处理，图1的曲线动向准确反映出了NiTi合金密封件试样随外力的变化所对应的应变大小。当出现剩余的形变数值ε大于0时，结果标明密封件试样在外力去除时，外形恢复阶段出现了“过恢复”的情形，就是说当密封件发生变形以后，外力消除，密封件尺寸发生的恢复变化超出了试样原始尺寸的数值。分析上述试验结果，密封件形变量ε在与拉伸方向的垂直方向上比较小，几乎为零，而在与压力与密封件试样垂直的方向上明显看到，对密封试样加热后温度超过37℃(奥氏体相变的开始温度为37℃)时，这个密封件试样的外形尺寸都同时发生恢复。为保证密封件原始尺寸完全恢复，在整个试验阶段始终进行温度控制，并观察形变值的变化量，并将应变量作为标准参数。分析图1的试验曲线，可以明显看到，密封件试样在开始时的形变恢复的速度比较快，而其尺寸恢复的整个阶段难以控制，此时试样容易发生“超恢复”现象，分析变化的原因是NiTi合金密封件试样均恢复到了最初的直线形状。图1中描述了以下两种试件:曲线1无时效处理的试样;曲线2时效处理的试样。

在实验过程中，NiTi合金丝材均记忆并恢复到弹簧原始形状。试件能够基本准确恢复到原始尺寸，特别是进行时效处理后的NiTi合金(2)没有出现“过恢复”现象，这主要是因为对试件在加工过程中进行的时效热处理工艺，使得试件记住了其原始形状。

1.2 NiTi合金试件变形回复后的力学性能

为测试NiTi合金密封件试样在外形恢复后是否仍保持稳定的力学性能，在实验室做了如下实验:将外形已经恢复的试样再一次安装在力学实验机上，并同时由小到大增加循环应力，将测试结果绘制成图2，图2中描述了试样发生了变形回复后的应力－应变曲线。

根据NiTi合金材料的力学性能的变化特点，其性能与加载频率无关。从图2中可以看到，为了进一步做出明确比较合金的力学性能，应考虑加载频率为0.5 Hz的情况，实验中同步记录了密封件前的应变曲线，从变形前后的两种曲线对比结果可以看出，密封件没发生形状恢复前的应力应变曲线的重合程度较好，结果表明这种密封件在变形发生消失以后会保持力学性能变化幅度较小。但是当密封件的应变为15%时，试件的恢复力大约降低20%。从上述分析得出以下结论，NiTi合金材料具有良好的形状恢复的性能，同时具有随温度变化同时发生形变的能力，从得出的结果也符合了油井封隔器在工作中对密封零件所提出的性能要求，即密封部件必须在油井工作的高温环境下发生变形。因此，我们可以将它作为较为理想的封隔器密封材料，在石油开采中大量使用。

2 结论

通过对不同加工处理工艺下的两种形状记忆合金NiTi合金密封件试样进行实验，得出的结论为:

1)应变量的大小对钛镍合金密封的超弹性有较大影响，应变率越低，超弹性应力越平稳。

2)应力-应变的循环次数对对钛镍合金密封件的超弹性有相应的影响。

3)NiTi合金密封件的应变－应力曲线随着应力的增加，应变数值的变化量较小，却发生了明显的加工硬化现象，说明记忆合金密封件具有应变滞后的能力。

4)当循环应力加载时间达到800个h以后，密封件的应力与应变曲线变化幅度较小，而对于增加卸载应力循环时间和数量对NiTi合金密封件的应变与应力的相适应变化能力没有任何影响，从图中可以看到曲线变化只有在开始阶段应力－应变曲线出现了比较明显的降低。

5)NiTi合金试件的应力－应变变化同步性与加载频率无关。

6)正是众所周知的记忆合金具备形状记忆效应，实验中合金的温度达到奥氏体转变开始温度时，出现了残留的形变量，结果导致NiTi合金密封件会自动恢复，形状恢复到其原始轮廓。与试样1对比，对试件2采取了相应的加热保温时效，试样2具有更好的形状恢复能力，而且当剩余的变形彻底消失后，记忆合金试件2比合金类试件1具有了比较明显的形状恢复结果。

[1]王永善，贺志荣，王启，等.Ti-Ni形状记忆合金性能及应用研究进展[J］.材料热处理技术，2009，38(20):18.

[2]安少云，刘春哲，韩光明.在油井封隔器中的应用研究[J］.承德石油高等专科学校学报，2012，14(3):47－50.

[3]江汉石油管理局采油工艺研究所 .封隔器理论基础与应用[M］.北京:石油工业出版社，1999.