電潛泵吸入口材料純機械沖刷行為研究

段 錚，馮沙沙，黃軍立，榮 杰

中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳

1. 引言

潛油電泵是海上油田人工舉升的重要機械采油設(shè)備，其壽命長短直接影響油田生產(chǎn)效率和成本。在石油開采過程中，井液含砂和大液量生產(chǎn)會對潛油電泵造成沖刷磨損，造成潛油電泵壽命縮短或系統(tǒng)失效。45#鋼和316L不銹鋼是典型的電泵吸入口材料，但目前還沒有關(guān)于45#鋼和316L不銹鋼在非腐蝕性介質(zhì)中的純機械沖刷行為規(guī)律的相關(guān)研究。通過研究沖擊時間、流速、以及沖擊角度對其機械沖刷行為影響規(guī)律，可為潛油電泵的優(yōu)化設(shè)計提供有效的理論依據(jù)，對于延長電泵使用壽命和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

2. 試驗部分

2.1. 試驗材料

電泵吸入口所用材料45#鋼和316L不銹鋼，其化學成分見表1。試驗介質(zhì)為固液兩相含砂水流，石英砂的砂體粒度為700～900 μm。

Table 1. The chemical components of 45# steel and 316L stainless steel表1. 45#鋼和316L不銹鋼化學成分

2.2. 試驗方法

機械沖刷試驗在自制的管道沖刷腐蝕模擬測試試驗裝置中進行，該自制裝置可實現(xiàn)不同流速、含砂量以及沖擊角度的調(diào)節(jié)。試樣的工作面為10 mm × 10 mm的正方形，其余面用環(huán)氧樹脂密封。

試驗前，試樣依次用100#、400#、800#、1200#水砂紙打磨，打磨后用無水乙醇擦拭干凈，并用去離子水沖洗，冷風吹干。試驗時間為24 h，沖刷速度為8 m/s，沖擊角度為0?，含砂量為1200 g/m3，砂體粒度為0.9 mm。試樣沖刷前后的質(zhì)量采用電子天平(精度為0.0001 g)稱量，試樣沖刷后的表面形貌采用VHX-2000型三維顯微鏡觀察。

3. 試驗結(jié)果與討論

3.1. 機械沖刷失重速率與材料硬度的關(guān)系

對于韌性材料，硬度對材料的機械沖刷行為起著決定性作用。硬度的增加降低了砂粒的沖刷作用，減小了材料的沖蝕速率[1]。從圖1可以看出，45#鋼的失重速率明顯大于316L不銹鋼。經(jīng)測定，45#鋼和316L不銹鋼的硬度分別為274.8 HV和429.1 HV，因此，高硬度的316L不銹鋼的抗沖刷性能優(yōu)異于低硬度的45#鋼。

Figure 1. The scouring weight loss rate of 45# steel and 316L stainless steel圖1. 45#鋼和316L不銹鋼的沖刷失重速率

3.2. 機械沖刷失重速率與沖刷時間的關(guān)系

圖2是機械沖刷失重速率隨沖刷時間變化的趨勢圖?？梢钥闯?，45#鋼和316L不銹鋼的沖刷失重速率先增加，后趨于穩(wěn)定，說明材料在試驗條件下處于穩(wěn)定磨損階段。這是由于高速砂粒撞擊材料表面，撞擊點局部產(chǎn)生壓應(yīng)力，當壓應(yīng)力高于材料臨界應(yīng)力時，材料發(fā)生塑性變形，進而被砂粒沖刷失重且失重逐漸增加，隨著試樣表面發(fā)生劇烈的塑性變形，試樣表面會形成一層加工硬化層，當塑性變形與加工硬化達到一個平衡點的時候，沖蝕率基本不變。

Figure 2. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring time圖2. 機械沖刷失重速率隨沖刷時間變化的趨勢

3.3. 機械沖刷失重速率與沖刷速度的關(guān)系

圖3為機械沖刷失重速率隨沖刷速度變化的趨勢圖。可以看出，45#鋼和316L不銹鋼的沖刷失重速率均隨著流速的增加而呈線性增加趨勢。粒子的沖擊速度與材料沖刷失重速率關(guān)系為：

式中：W為沖刷失重速率，g/(m2·h)；v為沖刷速度，m/s；k和n均為常數(shù)。

由于流速增大，使得粒子所獲得的速度增大，動能相應(yīng)增加，導(dǎo)致材料的沖蝕加劇[2][3]。

Figure 3. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring velocity圖3. 機械沖刷失重速率隨沖刷速度變化的趨勢

3.4. 機械沖刷失重速率與沖擊角度的關(guān)系

圖4為沖擊角度對機械沖刷失重速率的影響趨勢圖?？梢钥闯觯敍_擊角度低于45?時，隨著角度的增加45#鋼和316L不銹鋼的失重速率均出現(xiàn)降低的趨勢，在沖擊角度為45?時，失重速率最小。當沖擊角度高于45?時，兩者失重速率均增加，且45#鋼的增加幅度較大。當沖擊角度為90?時，45#鋼的沖刷失重速率達到最大，而316L不銹鋼的失重速率最大值時的沖擊角度為0?。在固液兩相流沖刷過程中，作用在材料表面上的力同時具有水平和垂直分量，水平分量會對靶材造成切削損傷，垂直分量會對靶材造成撞擊或沖擊損傷。所以，隨著沖擊角度變化，切削和撞擊作用此消彼長，造成了不同角度下不同的損傷機制。

Figure 4. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring angle圖4. 機械沖刷失重速率隨沖擊角度變化的趨勢

45#鋼在不同沖擊角度沖刷后的宏觀形貌見圖5?？梢钥闯?，當沖擊角度為90?時，45#鋼表面可以觀察到明顯的沖擊坑，而當沖擊角度為0?時則未觀察到明顯的沖擊坑。這是由于沖擊角度較小時，水平分量作用較強，主要的損傷機制為切削，隨著沖擊角度的增大，垂直分量作用增強，粒子撞擊材料表面，把金屬從坑中擠出，形成帶唇邊的壓坑，其損傷機制為犁削。

Figure 5. The macro-morphology of 45# steel at 0? and 90? impact angles圖5. 45#鋼在0?和90?沖擊角度下的宏觀形貌

4. 結(jié)論

1) 對于韌性材料，純機械沖刷失重速率與材料的硬度成反比。316L不銹鋼的硬度高，沖刷失重速率?。?5#鋼的硬度低，沖刷失重速率大。

2) 45#鋼和316L不銹鋼的沖刷失重速率隨著沖擊時間的增加，先增加后處于穩(wěn)定磨損階段。

3) 45#鋼和316L不銹鋼的沖刷失重速率隨著流速的增加呈線性增加趨勢。

4) 45#鋼和316L不銹鋼在沖擊角度為45?時，沖刷失重速率最小；高于或低于45?時沖刷失重速率均增加；當沖擊角度為0?時的損傷機制為切削，當沖擊角度為90?時的損傷機制為犁削。