不同高溫漿體中螺桿鉆具定子襯套的摩擦規(guī)律

韓傳軍　鄭繼鵬　張　杰　陳　飛

西南石油大學(xué)，成都，610500

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不同高溫漿體中螺桿鉆具定子襯套的摩擦規(guī)律

韓傳軍鄭繼鵬張杰陳飛

西南石油大學(xué)，成都，610500

摘要：定子橡膠襯套的磨損易導(dǎo)致螺桿鉆具工作效率降低或過早發(fā)生失效。為研究鉆井工況下橡膠襯套的摩擦磨損特性，對(duì)定子橡膠襯套在干磨狀態(tài)以及不同漿體介質(zhì)中的狀態(tài)進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗(yàn)，并對(duì)橡膠磨損量進(jìn)行稱量。試驗(yàn)結(jié)果表明：在干磨和各漿體介質(zhì)中,中低載荷和低轉(zhuǎn)速情況下，橡膠的摩擦因數(shù)隨著載荷和轉(zhuǎn)速增大而減小，橡膠的磨損量隨載荷和轉(zhuǎn)速的增大而增大；在漿體介質(zhì)中，橡膠磨損量隨泥漿密度的增大而增大。襯套的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為滯后磨損、氧化降解和微切削作用磨損。

關(guān)鍵詞：螺桿鉆具;定子襯套;摩擦磨損;失效;泥漿

0引言

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具，具有功率大、長度小、壓降高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于定向鉆井、深井鉆井以及修井等行業(yè)[1-3]。

螺桿馬達(dá)是螺桿鉆具的核心部件，其主要組成部分為馬達(dá)轉(zhuǎn)子和定子襯套，其中，馬達(dá)轉(zhuǎn)子為鋼制的螺桿，定子由鋼套和澆鑄硫化在鋼套內(nèi)壁上的橡膠襯套(主要材料為丁腈橡膠)組成[4]。工作過程中，定子襯套的變形不但影響螺桿鉆具的工作效率，還影響其力學(xué)性能[5]。橡膠的耐熱性較差，工作過程中，地層溫度較高，轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦生熱，加速了橡膠的溫升，使橡膠的物理性能發(fā)生改變，進(jìn)而影響其工作性能，使其工作效率降低[6-7]。高溫摩擦加速了定子橡膠結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[8-10]，導(dǎo)致定子橡膠過早失效，使用壽命縮短。不少學(xué)者對(duì)螺桿鉆具定子襯套進(jìn)行過研究，如韓傳軍等[2]對(duì)螺桿鉆具等壁厚襯套進(jìn)行了力學(xué)性能的分析，鄭華林等[9]設(shè)計(jì)了一種新型的等壁厚定子襯套并進(jìn)行了力學(xué)性能分析。以上學(xué)者只是在簡化工況下，從仿真方面對(duì)定子襯套的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并未深入研究定子橡膠的磨損機(jī)理。

為研究橡膠襯套的摩擦磨損機(jī)理，本文開展高溫泥漿介質(zhì)下定子襯套與轉(zhuǎn)子的摩擦磨損試驗(yàn)，研究定子襯套高溫、轉(zhuǎn)速、法向載荷對(duì)橡膠襯套摩擦磨損的影響。

1試驗(yàn)材料和裝置

試驗(yàn)裝置為MDW-100微型控制立式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。采用大銷盤摩擦副方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)介質(zhì)溫度、摩擦因數(shù)、摩擦力、扭矩等參數(shù)。

試驗(yàn)方法：將定子橡膠試件固定在調(diào)速裝置底端，將鋼件固定在加載裝置上部的凹槽里，如圖1所示。通過加載裝置使橡膠試件和鋼件表面接觸，形成摩擦副，通過電機(jī)將不同轉(zhuǎn)速施加給固定在其底端的橡膠試件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)摩擦。同時(shí)，在加載裝置外部安裝鋼筒，鋼筒高出安裝鋼件30 mm，以保證摩擦磨損試驗(yàn)中橡膠和鋼件接觸部位能夠完全浸沒在泥漿中。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)材料：試驗(yàn)用鋼件為表面鍍鉻的45鋼，其尺寸為外徑54 mm，內(nèi)徑38 mm，厚度10.5 mm。為方便試驗(yàn)順利進(jìn)行，將橡膠硫化在50 mm的鋼質(zhì)圓盤上，結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)定子橡膠主要物理性能如表1所示。

圖2　試驗(yàn)試件圖

主要物理性能經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值丁腈橡膠邵氏A型硬度(度)65±572拉伸強(qiáng)度(MPa)≥1222.5斷裂伸長率(%)500±50579200%定伸強(qiáng)度(MPa)≥8.511撕裂強(qiáng)度(kN/m)30～5063

試驗(yàn)介質(zhì)：33-4#泥漿(水基)、505#泥漿(油基)、33-4#泥漿與潤滑劑的混合物、505#泥漿與潤滑劑的混合物。其中，33-4#泥漿密度為1.924 g/cm3，505#泥漿密度為2.196 g/cm3，潤滑劑與混合物的質(zhì)量比均為1.5%。

2試驗(yàn)方法

多頭螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速為90～180 r/min；不同井段的工作環(huán)境溫度不同，環(huán)境溫度隨著井段的加深而升高(升高梯度約為3℃/100 m)。工作過程中，由于鉆井液的存在，螺桿鉆具在不同井段的工作壓力不同，井層越深，壓力越大。螺桿鉆具定轉(zhuǎn)子之間采用過盈配合，因此，定子襯套不但受到鉆井液的作用，還承受轉(zhuǎn)子的摩擦力和擠壓力。依據(jù)其工作特性，通過轉(zhuǎn)化分析，得到不同介質(zhì)中定子橡膠摩擦磨損試驗(yàn)條件：試驗(yàn)環(huán)境溫度為75 ℃；施加法向載荷分別取90 N、120 N、150 N；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別取100 r/min、150 r/min、200 r/min；將橡膠試樣在干磨以及不同漿體體系中進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)溫度恒定情況下，對(duì)同等載荷、同種介質(zhì)、相同轉(zhuǎn)速條件下的磨損進(jìn)行3次試驗(yàn)(總共進(jìn)行135組試驗(yàn))，對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取同等條件下的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)橡膠試件進(jìn)行清洗，利用超聲發(fā)生器裝置以及石油醚材料，將橡膠表面的泥漿、油污等污物清洗干凈，然后放置干燥。干燥完后，用電子天平(精確到0.01 mg)測量橡膠磨損量，采用電子顯微鏡觀察試驗(yàn)后橡膠表面的磨損形貌。

為排除因橡膠試樣表面粗糙度不同產(chǎn)生的影響，在試驗(yàn)前，對(duì)橡膠試樣表面進(jìn)行預(yù)研磨，使試樣表面粗糙度盡量一致，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1干磨條件下定子橡膠的摩擦磨損特性

75 ℃環(huán)境下，法向載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)定子橡膠的摩擦磨損影響如表2、表3所示。干磨過程中，橡膠與鋼件的接觸界面產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致橡膠表面發(fā)生軟化效應(yīng)[11]。從表2可知，在轉(zhuǎn)速恒定的干磨條件下，定子橡膠的摩擦因數(shù)隨著法向載荷的增大而逐漸減小；法向載荷恒定時(shí)，定子橡膠的摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。由于試驗(yàn)過程中，加載的法向載荷較小且轉(zhuǎn)速較低，故認(rèn)為環(huán)境溫度恒定時(shí)，在中低載荷和中低轉(zhuǎn)速下，定子橡膠的摩擦因數(shù)隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小。從表3可知，橡膠磨損量隨著法向載荷和轉(zhuǎn)速的增大而增大；轉(zhuǎn)速越高，法向載荷越大，橡膠磨損量越大。表3中，法向載荷150 N、轉(zhuǎn)速200 r/min條件下，磨損量最大，為2.10 mg。橡膠的導(dǎo)熱性極差，隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦產(chǎn)生的熱量增多且無法及時(shí)排出，橡膠表面因溫升發(fā)生氧化降解反應(yīng)，導(dǎo)致表面發(fā)生熔融現(xiàn)象，在橡膠表面形成熔融層。熔融層具有一定的潤滑作用，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小。同時(shí)，形成的熔融層不斷地被撕裂磨損，往復(fù)循環(huán)，使橡膠不斷被磨損。磨損機(jī)理上主要表現(xiàn)為滯后磨損[12-13]。

表2　不同載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)

表3　不同載荷和轉(zhuǎn)速下的磨損量　mg

3.2不同漿體中定子橡膠的摩擦磨損特性

75 ℃的環(huán)境溫度下，不同漿體中，法向載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)定子橡膠摩擦磨損影響如圖3所示。由圖3可知，在取樣時(shí)間內(nèi)，各漿體的摩擦因數(shù)在某一值附近上下浮動(dòng)，基本保持穩(wěn)定。其中，505#泥漿的摩擦因數(shù)最大，其次為505#泥漿與潤滑劑混合物的摩擦因數(shù)，33-4#泥漿與潤滑劑混合物的摩擦因數(shù)最小。

(a)90 N，100 r/min

(b)90 N，200 r/min

(c)150 N，100 r/min

圖3不同漿體中定子橡膠摩擦因數(shù)變化情況

由圖3a、圖3b可知，在法向載荷恒定的同種漿體中，定子橡膠摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而減小。由圖3a、圖3c可知，在轉(zhuǎn)速恒定的同種漿體中，定子橡膠摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小。此種條件下，橡膠摩擦因數(shù)的變化與干磨條件下橡膠摩擦因數(shù)的變化趨勢相符。與干摩條件下橡膠摩擦因數(shù)相比，漿體中的橡膠摩擦因數(shù)較小，主要原因是漿體中含有液體，除此之外，個(gè)別漿體中還含有潤滑劑。在試驗(yàn)過程中，漿體與潤滑劑會(huì)在橡膠和鋼件接觸部位形成一層潤滑膜，潤滑膜減小了橡膠和鋼件之間的作用力，導(dǎo)致橡膠摩擦因數(shù)減小。從含潤滑劑的漿體與未含潤滑劑的漿體對(duì)比可知，潤滑劑能夠起到一定的保護(hù)作用。505#泥漿和33-4#泥漿的摩擦因數(shù)相差較大的主要原因是：①前者為水基泥漿，后者為油基泥漿，油的潤滑作用比水的潤滑作用好；②前者所含有的固相(砂粒)濃度比后者的大，固相(砂粒)對(duì)橡膠表面具有微切削作用，固相(砂粒)的含量越高，對(duì)橡膠表面微切削力也就越大，固相(砂粒)在鋼件表面滑動(dòng)和滾動(dòng)時(shí)受到的阻力也相對(duì)增大，因此摩擦因數(shù)增大[14-15]。

由圖4可知，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磨損量隨著法向載荷的增大而增大；法向載荷一定時(shí)，磨損量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加。橡膠磨損量曲線在兩種泥漿中的變化趨勢相似，橡膠在505#泥漿中的磨損量(最大磨損量為1.3 mg)大于在33-4#泥漿中的磨損量(最大磨損量為1.167 mg)。由泥漿密度可知，505#泥漿密度高于33-4#泥漿密度。結(jié)合泥漿密度以及橡膠磨損量分析數(shù)據(jù)可知，隨著泥漿密度的增大，橡膠的磨損量增大。磨損機(jī)理上表現(xiàn)為：①運(yùn)動(dòng)過程中，固相(砂粒)在橡膠表面產(chǎn)生微切削力，使橡膠表面發(fā)生變形和撕裂；②運(yùn)動(dòng)過程中，摩擦產(chǎn)生的熱量使橡膠表面發(fā)生氧化降解，并形成熔融層。融熔層被磨損掉時(shí)，受切削力以及摩擦熱影響，新的融熔層會(huì)出現(xiàn)，此過程重復(fù)出現(xiàn)，往復(fù)循環(huán)，使得橡膠磨損。

(a)33-4#泥漿

(b)505#泥漿圖4　定子橡膠在泥漿中的磨損量曲線變化圖

3.3SEM形貌分析

試驗(yàn)溫度75 ℃、法向載荷100 N、轉(zhuǎn)速150 r/min條件下，橡膠在干摩擦和505#泥漿中磨損后的表面形態(tài)如圖5所示。圖5a所示為干摩擦條件下，試驗(yàn)結(jié)束后定子橡膠的表面形態(tài)，橡膠表面有明顯的不連續(xù)裂痕，并且表面呈現(xiàn)層狀分布的輕微卷曲，與其磨損機(jī)理相符，說明橡膠表面形成的融熔層逐漸被撕裂磨損掉。圖5b所示為505#泥漿中試驗(yàn)后定子橡膠的表面形態(tài)，表面劃痕明顯，且呈不規(guī)則分布，表面有很多明顯凹坑。主要原因是橡膠與鋼件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，泥漿中的不規(guī)則固相(砂粒)受法向載荷作用，在橡膠表面沿滑動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，并對(duì)橡膠表面產(chǎn)生切削作用，同時(shí)，固相顆粒還存在滾動(dòng)，二者共同作用導(dǎo)致橡膠表面沿滑動(dòng)方向被犁削磨損。此過程往復(fù)循環(huán)，砂粒的滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦導(dǎo)致橡膠表面不斷被切削磨損掉，形成如圖5b所示的形貌。

(a)干摩條件下橡膠的表面形貌

(b)505#泥漿條件下橡膠的表面形貌圖5　不同實(shí)驗(yàn)條件下定子橡膠的表面形貌

4結(jié)論

(1)在高溫環(huán)境、中低轉(zhuǎn)速、中低載荷作用下，定子襯套的摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速和法向載荷的增大而減小。定子襯套的磨損量隨著轉(zhuǎn)速和載荷的增大而增大，隨著泥漿密度的增大而增大。

(2)干摩擦的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為滯后磨損。高溫泥漿中，橡膠與鋼件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，固相(砂粒)導(dǎo)致橡膠表面形成不規(guī)則的劃痕以及凹坑，其磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為：摩擦產(chǎn)生的熱量使橡膠表面發(fā)生氧化降解，形成熔融層，融熔層不斷被撕裂和磨損掉，新的融熔層出現(xiàn)，再被撕裂磨損掉，此過程循環(huán)往復(fù)；固相(砂粒)的微切削作用，使橡膠表面不斷發(fā)生變形，撕裂，此過程往復(fù)循環(huán)，定子橡膠最終因氧化降解和切削作用被磨損掉。

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(編輯張洋)

收稿日期：2015-10-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474180)

中圖分類號(hào)：TE921

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.018

作者簡介：韓傳軍，男，1979年生。西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士后研究人員。主要研究方向?yàn)槭偷V場機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造及仿真。發(fā)表論文30余篇。鄭繼鵬(通信作者)，男，1990年生。西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。張杰，男，1987年生。西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。陳飛，男，1989年生。西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。

Friction Regularity of Screwdrill’s Stator Lining in Different Hot Muds

Han ChuanjunZheng JipengZhang JieChen Fei

Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

Abstract:The abrasion of the stator rubber lining easily led to the premature failure of the screw drill and lower efficiency. The tribological experiments of the stator rubber lining were carried out in dry mill state and different muds to study the friction and wear characteristics of rubber lining in drilling conditions, and the rubber wear was measured by using electronic measuring scales . The results show that: under low load and speed conditions, the friction coefficient of the rubber decreases with the increase of the load and the speed in each slurry and dry grinding medium. The amount of wear of the rubber increases with the increase of load and speed; in mud medium, the amount of wear rubber also increases with the increase of mud density. The wear mechanism was mainly affected by lagged wear, oxidation degradation and micro-cutting action wear.

Key words:screwdrill; stator lining; frictional wear; failure; mud