試分析提高泥漿泵缸套的耐磨性的措施

韓翔

摘 要：眾所周知，作為石油鉆機中重要配套設(shè)備的泥漿泵，其缸套是它的核心組成部件，具有不可替代的強大功能。但缸套內(nèi)表面在缸套內(nèi)活塞往復(fù)運動與泥漿直接接觸時，極易被泥漿中包含的堿鉆液和微小固體顆粒說磨損腐蝕。并且嚴重時，還會導(dǎo)致吸排泥漿功能失效和泄露泥漿的現(xiàn)象，從而造成缸套無法繼續(xù)使用。故缸套屬于一次性易損且無法回收的零部件，其壽命長短將對鉆井成本造成重大的影響。

關(guān)鍵詞：泥漿泵缸套 耐磨性 提高措施

中圖分類號：TH38 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0086-02

作為旋轉(zhuǎn)鉆井泥漿循環(huán)系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備，泥漿泵常被人們稱之為鉆機心臟。但在泥漿泵實際作業(yè)的過程中，由于輸送的泥漿黏度較大、壓力較高、砂石含量較多，并且其腐蝕性較強，容易導(dǎo)致缸套磨損失效的現(xiàn)象，所以材料是否選用合理，工藝安排是否合理，對缸套使用壽命延長的意義非凡，該文主要針對缸套磨損失效等問題，指出有效提高缸套耐磨性的措施。

1 分析泥漿泵基本參數(shù)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)受力

1.1 泥漿泵排量參數(shù)確定

通常鉆井工藝要求直接確定了泥漿泵排量，排量最低返速值即鉆井工藝的最低要求。主要是指將巖屑被攜帶出地面時保證最低鉆井液自環(huán)形空間上返的速度。促使上返速度達到Vt，即：其中，表示并聯(lián)在鉆井中工作的鉆井泵臺數(shù)為Z0，通常Z0在完井井段則為1，而在開鉆井段則為1～2；表示實際單臺泵排量的為QR；表示井眼直徑和鉆桿外徑的分別是dh和db。

一般而言，我國對完井井段和開鉆井段的最低返訴分別為 0.8 m/s和0.4～0.6 m/s。鉆井泵最大排量必須和開鉆井段要求一致，完井井段泵壓排量必須與完井井段最低返速要求一致。

1.2 鉆井泵的泵壓確定

一臺鉆井泵選定最高排除壓力，即設(shè)計的最高工作壓力，取決于鉆井工藝需要和液力端密封耐壓極限。當(dāng)前鉆井中使用的最高泵壓一般為200×105 Pa，鉆井地面最高壓力為343×105 Pa（350 kgf/cm2），不過由于鉆桿接頭密封，泵易損件等配套不足，無法實行，其可作為泵的儲備能力。而一般鉆井泵的液力端密封耐壓極限最高可達343×105 Pa左右，因此其實驗壓力為2×343×105=686105 Pa。

1.3 鉆井泵的沖次和沖程長度確定

鉆井泵沖次選取時，要合理考慮鉆井泵易損件和吸入性能的壽命。而灌注泵在有配置且吸入性能得以保證的條件下，易損件的壽命是主要考慮因素。為保證缸套和活塞的壽命合理，鉆井泵活塞運動速度必須限制為Uav。經(jīng)實踐證明限制三缸泵Uav在180 ft/min=0.915 m/s時，所有易損件的壽命都能得以合理保證。經(jīng)實踐證明限制雙缸泵的Uav為180 ft/min=0.915 m/s時，所有易損件的壽命都能得以合理保證。Uav定義為Uav。

1.4 泥漿泵活塞桿推力的確定

根據(jù)活塞桿推力數(shù)值可以確定傳動端的基本承受荷載，因此，鉆井泵設(shè)計的基本參數(shù)之一包括活塞桿推力。通過公式Fa= 1.06pdA和，計算出額定活塞桿推力為。

1.5 鉆井泵額定功率的確定

鉆井泵性能參數(shù)中泵壓和排量是最重要的兩項，其乘積為功率。而一臺鉆井泵能力的大小體現(xiàn)在功率數(shù)上，且功率數(shù)也是其配備動力的關(guān)鍵，所以在選擇泵時功率數(shù)往往是首要考慮參數(shù)。實際上泵額定功率作用就在于此。當(dāng)前雙缸泵的公認額定功率N的計算公式為：。其中尺寸一致的缸套最高泵壓以pd表示，額定沖次時與某一尺寸缸套與之相對應(yīng)的理論排量以Qsa表示。同時泵的輸入功率為：。兩式相除得出最終功率為：。當(dāng)泵接近滿負荷或滿負荷工作時，η值可取0.88；因缸徑和泵壓的差異ηv也會產(chǎn)生變化一般ηv=0.96或0.92.若取平均值0.94，公式計算則N=1.04Nb。也就是三缸泵額定功率值在泵壓、排量一致的條件下，可接近泵要求的輸入功率值。由此，泵工作于額定沖次時的輸入功率即為鉆井泵額定功率。但介于該式中含有功率數(shù)據(jù)，不便于礦場操作者，所以將其推廣應(yīng)用于任意泵壓和理論排量時的泵輸入功率計算，即。

2 磨損機理及其分類

2.1 泥漿泵缸套磨損分類

通常泥漿泵缸套按其磨損機理可分為：磨粒磨損、腐蝕磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損和微動磨損。而磨粒磨損和粘著磨損是石油鉆井缸套磨損中常見的兩大類磨損現(xiàn)象。

泥漿泵實質(zhì)上的作業(yè)內(nèi)容就是輸送泥漿。而水和細小沙石顆粒是泥漿的主要組成部分。因此對液體中顆粒和磨損關(guān)系的探討十分必要。若摩擦表面嵌入硬顆粒，將在兩個相互磨損的表面起到切削作用，同時在切削過程中還會產(chǎn)生更多硬顆粒，從而出現(xiàn)磨粒磨損的現(xiàn)象。通常顆粒數(shù)目、硬度與磨粒磨損的重要程度是呈正比狀態(tài)。另外，當(dāng)硬顆粒在摩擦面間的摩擦過程被不斷的碾壓、劃擠時，還會導(dǎo)致表面原子錯位和局部塑性變形，造成表面疲勞磨損的情況。

同時，在碾壓、劃擠作用下，硬顆粒還將導(dǎo)致表面被擠出高壟。并且在日后的磨損過程中這些高壟還將引起金屬直接接觸摩擦面，最終發(fā)展為粘著磨損。

2.2 泥漿泵缸套受液體中顆粒破壞的形式

由于泥漿泵流動系統(tǒng)為含固體顆粒的兩相流系統(tǒng)，其作業(yè)內(nèi)容直接決定著泥漿泵的所有過流部件主要受損破壞為流體磨粒磨損。因此破壞形式的劃分根據(jù)流體中顆粒接觸過流部件工作面的方式，可被具體分為三種形式：小角度剝蝕、研磨損壞、高角度沖擊磨損。

在泥漿泵機上最容易受到磨損的部件之一便是泥漿泵缸套。對于泥漿泵缸套質(zhì)量性能而言，抗腐蝕及耐高壓和磨損是其最突出的要求以及很高的配合尺寸精度。通常泥漿泵缸套的作業(yè)環(huán)境十分惡劣，包括：承受介質(zhì)中酸堿度的腐蝕；十幾到三十幾兆帕壓力；機械在高溫高速下會受到介質(zhì)中磨料的磨損。泥漿泵缸套在作業(yè)狀態(tài)下，活塞的外表面與缸套的內(nèi)表面間是沙粒滿嵌，作為運動過程中磨料的沙粒，會引起缸套的磨粒磨損，一般HV600～10000是沙粒的硬度。磨損是缸套失效的主要原因，當(dāng)達到0.2～ 0.3 mm的磨損時，就將引起泄露泥漿，降低泵壓，出現(xiàn)缸套報廢情況。

2.3 泥漿泵缸套磨損主要原因

泥漿泵被稱之為石油鉆機的心臟是油田開采的主要設(shè)備之一。介于鉆井工藝實際需求泥漿本身性能復(fù)雜，具有相應(yīng)的酸堿度。當(dāng)前用于油田開采的泥漿泵多為高鉻鑄鐵內(nèi)套和碳鋼外套復(fù)合型雙金屬缸套，缸套生產(chǎn)工藝流程為：首先利用離心鑄造方法制出高鉻鑄鐵內(nèi)套和碳鋼外套，對其熱處理后分別進行機械加工，并再加熱外套鑲裝內(nèi)套，最后對連接為整體的缸套進行加工研磨。在泥漿泵作業(yè)時缸套是最關(guān)鍵的易損件，工作介質(zhì)多為高磨礪性固相顆粒比如SiO2、Al2O3，泥漿泵缸套工況條件惡劣，通常是磨粒磨損的條件下作業(yè)，由于缸套工作壓力過高，在與活塞摩擦?xí)r易產(chǎn)生高溫進而影響到金屬的硬度，加上泥漿其本身就是堿性物質(zhì)，容易造成對缸套的腐蝕，導(dǎo)致更嚴重的缸套磨損情況。另外，泥漿泵缸套過早磨損絕大部分原因和內(nèi)套材料硬度普遍小于55～58HRC也有關(guān)。在實際中內(nèi)套硬度值按照API標(biāo)準取值應(yīng)該在60HRC左右。而小于這個數(shù)值多數(shù)是因為提高缸套硬度主要材料鉻的含量較少，所以會導(dǎo)致泥漿泵缸套出現(xiàn)過早磨損現(xiàn)象。而國外采用的牌號為KmTBCr2含26%～28%鉻量的高鉻鑄鐵材料，在熱處理后可促使內(nèi)套硬度達到60HRC或以上，其使用壽命平均約800H。

3 泥漿泵缸套耐磨性提高途徑及噴涂工藝

3.1 選擇耐磨涂層的材料

耐磨涂層本身性能及其與基體材料載荷的施加方向和大小、化學(xué)和力學(xué)匹配性直接決定著耐磨涂層的選擇要求，包括涂層耐磨性和涂層結(jié)合強度兩方面要求。選擇耐磨涂層材料時要與這幾方面相吻合：①用于軟支承的涂層，允許磨粒嵌入及變形來調(diào)整軸承表面；②用于硬支承的涂層，其工作條件為高載荷低速工況，通常可用在限制潤滑部位、不重要的可嵌入性和自動調(diào)整性部位；③用于耐磨粒磨損的涂層，低于540℃使用溫度時，涂層易受外來磨粒顆粒犁溝切削的作用，涂層硬度必須高于磨粒硬度，選取自熔合金加Ni/Al或Mo混合粉末的高鉻不銹鋼為涂層材料為佳；④用于耐硬面磨損的涂層，低于538℃使用溫度時，由于較軟面上的硬面滑動易產(chǎn)生磨損，即硬面突出部分導(dǎo)致軟表面開槽產(chǎn)生與磨粒相同作用的碎屑造成磨損，針對這類情況可采用自熔合金、碳化鎢或氧化物陶瓷、鎳、鐵、鉆基噴涂材料、有色金屬及某些難溶金屬為涂層的材料。

綜合以上要求與材料本身性能，噴涂材料最終采用鉆基碳化鎢為佳。而之所以選取這種材料，一是因為泥漿泵缸套工作環(huán)境惡劣，二是鉆基碳化鎢粘自溶性較好，三是能媲美真空下致密整體硬質(zhì)合金的性能。

3.2 選擇耐磨層噴涂方法

當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)還要算熱噴涂技術(shù)，根據(jù)涂層材料和工藝方法的不同選擇，其可以制備相應(yīng)的功能涂層比如導(dǎo)電絕緣、減耐磨、電磁屏蔽吸收、耐腐蝕抗高溫氧化、遠紅外輻射等。所謂熱噴技術(shù)主要是將噴涂材料通過熱源加熱到半熔化或熔化狀態(tài)，借助一定的速度將其噴射沉積到已經(jīng)接受過預(yù)處理基體表面而形成涂層的方法，并實現(xiàn)基體表面具有上述提到功能的目的。而諸如電弧噴涂、高速活性燃氣噴涂、等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂、高速等離子噴涂等極為熱噴涂技術(shù)，其特點優(yōu)勢各異。但不管是那種熱噴涂技術(shù)工藝，噴涂過程中涂層形成的結(jié)構(gòu)和原理基本相同?？晒┻x擇的熱噴涂技術(shù)是多樣化的，高速射流能保證硬質(zhì)合金大密度的顆粒運量增大，能在基體表面產(chǎn)生撞擊后形成緊密優(yōu)質(zhì)的耐磨涂層，因此該研究者認為選用超音速等離子噴涂即高速等離子噴涂技術(shù)效果最佳。

4 結(jié)語

綜上所述，由于泥漿泵缸套屬于易損且一次性部件，一旦磨損報廢對于鉆井成本影響極大。所以，通過分析泥漿泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)受力和基本參數(shù)，即泵壓、沖程長度、排量、活塞桿推力和沖次，探討泥漿泵缸套磨損機理和分類，該文指出了泥漿泵缸套耐磨性提高的途徑及噴涂工藝，包括如何選擇耐磨涂層的材料以及噴涂方法。

參考文獻

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