高壓注水管線磨損簡(jiǎn)析

王雷 王牧 孫鈿翔 韓欠欠（長(zhǎng)慶油田第十二采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745400）

高壓注水管線磨損簡(jiǎn)析

王雷 王牧 孫鈿翔 韓欠欠（長(zhǎng)慶油田第十二采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745400）

隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，油田注水工作也越來(lái)越重要，油田注水壓力也在不斷提高。注水管線必然存在不同程度的腐蝕磨損。為更好地保障油田注水工作，本位從油田高壓注水管線磨損現(xiàn)狀著手，提出幾點(diǎn)減少磨損的方法。

注水；高壓；磨損

高壓注水管線出現(xiàn)管線底部磨損嚴(yán)重，變薄甚至開(kāi)裂的現(xiàn)象。研究認(rèn)為由于管線內(nèi)部不光滑，在高壓條件下管線底部受到摩擦力最大，對(duì)管線的磨損最多，導(dǎo)致注水管線底部出現(xiàn)大面積連續(xù)性的凹槽。

1 摩擦的客觀存在性

金屬表面由若干層次的表面層組成，外表面由物理吸附和化學(xué)吸附作用生長(zhǎng)的吸附層以及氧化形成的氧化膜；內(nèi)層由塑性變形層組成。所以物體表面不是光滑表面，兩種介質(zhì)接觸時(shí)便存在摩擦接觸面積，尤其液體接觸時(shí)接觸面積更大。按照摩擦理論，當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸并出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生摩擦力。水在鋼管內(nèi)部流動(dòng)時(shí)主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦，且摩擦力流體粘度有關(guān)。

2 磨損機(jī)理簡(jiǎn)析

磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的結(jié)果，他是相互接觸物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面材料不斷發(fā)生損耗的過(guò)程。磨損大致可以分為三個(gè)階段：①跑和階段；②“穩(wěn)定”磨損階段；③“急劇”磨損階段。

磨損主要受三方面的作用影響：

①表面的作用。如機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，滾動(dòng)還是滑動(dòng)，表面分子作用形式。②表面的變化。物理性能的變化，如硬度等;化學(xué)性能的變化，如化學(xué)膜的作用變化；表層結(jié)構(gòu)的變化，是變形還是無(wú)變形等；以及組織成分的變化，如鋼的表層含碳量[1]。③破壞形式。主要分為磨屑形式和表面磨損形式。

2.1 磨損的種類

（1）粘著磨損：當(dāng)摩擦副接觸時(shí)，由于表面不平發(fā)生點(diǎn)接觸。在相對(duì)滑動(dòng)和一定載荷作用下，接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，使其表面破裂，摩擦表面溫度升高，嚴(yán)重時(shí)表層金屬會(huì)軟化或熔化，此時(shí)接觸點(diǎn)出現(xiàn)粘著。

（2）磨粒磨損：對(duì)于粗糙硬表面把軟表面劃傷，或者兩接觸面受外界硬粒劃傷表面，都屬于磨粒磨損。

（3）表面疲勞磨損：表面疲勞磨損是指摩擦?xí)r表面有周期性載荷作用，使接觸時(shí)產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力，并形成裂紋而破壞的現(xiàn)象。

（4）磨蝕磨損：材料在摩擦?xí)r與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)作用的磨損，他是一種需要考慮環(huán)境介質(zhì)影響的磨損[2]。

2.2 磨損模型

在高壓條件下，注水管線內(nèi)的水近視看做很多硬度很高磨粒棱角不明顯的的剛體，這時(shí)注水管線會(huì)發(fā)生犁溝變形，磨粒一邊向前推擠材料，一邊將材料犁向溝槽兩側(cè)。在切削情況下，材料就像被車刀車削一樣從前方被去除，磨損表面留下明顯的凹槽。

當(dāng)磨料以較大的角度作用于材料表面時(shí)，材料不具備被切削的條件，此時(shí)磨料顆粒將材料從坑中擠出，在眾多磨粒反復(fù)作用下，材料多次變形硬化失去塑性，直到應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限后形成扁平狀磨屑脫落。

2.3 管線受力數(shù)學(xué)推導(dǎo)

FG：重力

FP:管線壓力FA

R：管線半徑；

P：注水壓力；

g:重力系數(shù)；

ρ：流動(dòng)介質(zhì)的密度；

θ：重力與壓力的夾角；

F合：重力與壓力的合力；由公式可以看出只有重力與壓力夾角為零且重力與直徑方向重合出受力最大。

所以管線四周的受力情況對(duì)比可知管線底部所受摩擦力最大。當(dāng)管線處于傾斜面上時(shí)，在重力方向上重力與壓力的合力大于管線處于水平位置上的合力，且合力在0-90°范圍內(nèi)隨著角度增加而增加。

綜上管線底部磨損現(xiàn)象更嚴(yán)重，更容易出現(xiàn)明顯的凹槽劃痕。

2.4 減少磨損方法

①管線內(nèi)部加內(nèi)涂層，減少摩擦力。管線內(nèi)涂層可以有效減少接觸面的摩擦系數(shù)，從而減少摩擦力，同時(shí)內(nèi)涂層可以減少細(xì)菌滋生，減少微生物對(duì)金屬管材的腐蝕；②管線鋪設(shè)過(guò)程中減少管線傾角，減少管線底部受力負(fù)荷。在管線鋪設(shè)過(guò)程中盡量避開(kāi)陡峭山坡和減少?gòu)濐^的數(shù)量；③改善管線內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)，較少電化學(xué)腐蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中高壓注水管線的磨損常導(dǎo)致管線破損影響注水。所以改善管線受力情況尤為重要，這就要求圍繞磨損原理針對(duì)不同的磨損形式具體分析，采取針對(duì)性措施。這樣才能更好地保證注水工作順利進(jìn)行。

[1]劉家俊.材料磨損原理及其耐磨性,清華大學(xué)出版社,7-302-01288-1,TB302.3.

[2]袁興棟,郭曉斐,楊曉潔.金屬材料磨損原理,化學(xué)工業(yè)出版社.