3500HP型鉆井泵組裝式陶瓷缸套的結(jié)構(gòu)研究

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 鉆井泵缸套的發(fā)展

缸套作為液力端的易損件，它的壽命與鉆井泵的使用壽命和鉆井成本息息相關(guān)。對(duì)于缸套來(lái)說(shuō)其最主要的特點(diǎn)是耐高壓、耐磨損、抗腐蝕，以及對(duì)于配合尺寸精度的控制。隨著時(shí)代的進(jìn)步，缸套的發(fā)展歷程為單金屬缸套→雙金屬缸套→陶瓷缸套。為了使鉆井泵發(fā)展能跟上時(shí)代的腳步，并能在硬巖層、深井、超深井以及海上鉆井中發(fā)揮更好的工作效率[1-2]，因此壽命長(zhǎng)且性能價(jià)格比合理的缸套尤為重要。工程陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，因此陶瓷缸套的研究和發(fā)展是提高鉆井泵的鉆井成本和使用壽命的必然趨勢(shì)。

2 陶瓷缸套的加工方法和失效原因

2.1 陶瓷缸套的加工方法

由于制作陶瓷缸套的工程陶瓷其化學(xué)成分和機(jī)械性能是可以控制的，所以在提高細(xì)粉制造技術(shù)，改善燒結(jié)性能的情況下，伴隨其純度的提高、組成均勻性的完善，其性能也在穩(wěn)定提高。陶瓷缸套的加工方法主要有三種，下面對(duì)這三種方法做簡(jiǎn)單介紹：

(1)第一種方法是以外層為鋼，內(nèi)層為陶瓷的復(fù)合型缸套，它是由自蔓延高溫合成技術(shù)與離心成型技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的。該方法是利用化學(xué)反應(yīng)中的放熱反應(yīng)來(lái)合成新材料，它依據(jù)放熱反應(yīng)獨(dú)有的特點(diǎn)，利用其釋放的熱量促使體系的溫度瞬間上升到3 000 ℃以上，并依靠離心力的作用促使金屬與陶瓷相結(jié)合，其化學(xué)反應(yīng)式為：Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe+Q;其本質(zhì)就是在缸套內(nèi)壁上襯一層Al2O3陶瓷。

(2)第二種方法應(yīng)用的是陶瓷鍍膜技術(shù)，其加工方法是在精加工過(guò)的缸套內(nèi)孔上鍍一層鉻基碳化硅(SiC)陶瓷，優(yōu)點(diǎn)是：鍍Cr層與鋼的基體結(jié)合牢靠。因此稱為陶瓷鍍膜缸套。

(3)第三種方法是用低碳鋼作外套，工程陶瓷作內(nèi)襯的特殊缸套，因此該缸套是陶瓷襯缸套。其核心技術(shù)是Si3N4，Al2O3以及氧化鋯等成分的比例配合，最主要的就是要控制和改善陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)，這是提高其耐磨性的有效途徑。內(nèi)襯經(jīng)過(guò)冷等靜壓機(jī)成形，再利用高溫?zé)Y(jié)，然后經(jīng)磨削加工，最后熱裝于外套內(nèi)。

2.2 缸套的失效原因

缸套的失效是由磨損造成的，主要分為三個(gè)階段，初始階段為表面磨損，主要為疲勞磨損，當(dāng)疲勞磨損達(dá)到一定程度后轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙A段的磨粒磨損，而到了最后階段便是由于前期磨損所造成的裂紋以及缸套內(nèi)壁必然存在的疏松孔洞、夾雜物等缺陷，一起加速了泥漿對(duì)缸體的腐蝕作用，因而造成泥漿泄露，泵壓下降，從而致使缸套失效。

現(xiàn)今鉆井泵向著大功率、高泵壓、人性化和智能化的方向發(fā)展，因此，鉆井泵的工作壓力非常高，而且鉆井泵輸送的泥漿含有大量的泥沙，泥漿因其地層深度的不同酸堿度也不一樣，具有很強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)加速活塞和缸套的摩擦，從而致使缸套失效。

2.3 缸套壽命的提高

缸套受到工作環(huán)境和工作方式的限制，其磨損失效是必然的，因此只有通過(guò)應(yīng)用耐高溫，耐磨損和耐腐蝕的新型材料作缸套內(nèi)襯才能提高缸套的性能和使用壽命。陶瓷的硬度大多在1 500 HV以上，熔點(diǎn)在2 000 ℃以上，化學(xué)性能很穩(wěn)定，高溫下不易氧化，并對(duì)酸性、堿性和鹽類物質(zhì)有著良好的抗腐蝕能力，這些特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料。因此采用陶瓷制作缸套內(nèi)襯可大大提高缸套的性能和使用壽命。

3 組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)

3.1 陶瓷缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耐高壓、耐磨損和抗腐蝕是缸套作為泥漿泵的易損件必須具備的性質(zhì)，其次還需注意缸套和活塞配合尺寸精度的控制。材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、過(guò)流部分的形狀和尺寸、流體的速度、流態(tài)介質(zhì)的溫度和固體顆粒硬度等都是影響缸套壽命的主要因素。工程陶瓷有高強(qiáng)度、耐高壓、耐磨損、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，因此陶瓷缸套的研究與開(kāi)發(fā)是未來(lái)缸套發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文所設(shè)計(jì)的組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)主要包括缸套左端金屬外套、缸套右端金屬外套和缸套內(nèi)襯，圖1為組裝式陶瓷結(jié)構(gòu)缸套的總體裝配圖和零件圖。

圖1 組裝式陶瓷缸套的總體裝配圖和零件圖

缸套內(nèi)襯與左右端金屬外套通過(guò)自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相互配合后，然后用內(nèi)六角螺栓將它們連接起來(lái)，這樣就完成了組裝式陶瓷結(jié)構(gòu)缸套的總裝。

3.2 組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

(1)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的左右端金屬外套都是很普遍且成本較低的金屬材料，而且該金屬缸套還可以重復(fù)使用，有效地提高了材料的利用率。

(2)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)的缸套內(nèi)襯，是由缸套內(nèi)襯的鋼管外套與陶瓷內(nèi)襯經(jīng)過(guò)高技術(shù)生產(chǎn)工藝制造生成，該缸套內(nèi)襯充分發(fā)揮了鋼管外套和陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)，陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)是高硬度、高耐磨性、耐腐蝕、耐熱性好，鋼管外套的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好，總之就是該方法克服了陶瓷韌性差、鋼管外套硬度低、耐磨性差的特點(diǎn)。

(3)該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)避免了將缸套整體更換，當(dāng)組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)達(dá)到壽命期限后，只需將缸套內(nèi)襯更換即可，這樣也大大減少了材料的浪費(fèi)，同時(shí)還節(jié)省了人工。因此，這種設(shè)計(jì)方法提高了材料的利用率，節(jié)省了人力，很好地遵循了可持續(xù)發(fā)展理念，同時(shí)還可以大大延長(zhǎng)缸套的使用壽命，可以滿足各類工業(yè)生產(chǎn)需求。

4 ANSYS Workbench對(duì)組裝式陶瓷缸套和雙金屬缸套的應(yīng)力分析和對(duì)比

該新型組裝式陶瓷缸套的鉆井泵的技術(shù)參數(shù)是我們通過(guò)對(duì)3500HP型鉆井泵的設(shè)計(jì)計(jì)算和優(yōu)化總結(jié)所得出，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3500HP型鉆井泵的技術(shù)參數(shù)

缸套內(nèi)徑范圍為166～224 mm，外徑為270 mm。下面對(duì)內(nèi)徑為166 mm的雙金屬缸套和組裝式陶瓷缸套進(jìn)行分析。

4.1 缸套材料及邊界條件

雙金屬缸套的外層金屬缸套是價(jià)格比較便宜的鑄鋼制成，缸套內(nèi)襯用髙鉻鑄鐵。由于液壓缸體內(nèi)的受力狀況比較復(fù)雜，因此雙金屬缸套許用應(yīng)力為714 MPa[5]。組裝式陶瓷缸套結(jié)構(gòu)主要是由價(jià)格比較便宜的缸套左端金屬外套和缸套右端金屬外套，以及由鋼管外套和陶瓷內(nèi)襯經(jīng)過(guò)高技術(shù)生產(chǎn)工藝制造生成的缸套內(nèi)襯，因工程陶瓷材料突出的耐高壓、耐磨損、抗腐蝕的性能，故其許用應(yīng)力在1 GPa以上，遠(yuǎn)高于雙金屬缸套。取缸套工作壓力的1.5倍壓力對(duì)缸套進(jìn)行校核，則需對(duì)內(nèi)徑為166 mm的缸套施加84 MPa的壓力，分析時(shí)還需對(duì)缸套的端面和外圓面施加固定約束。各個(gè)材料的密度、彈性模量和泊淞比分別為：45鋼D=7.8 g/cm3，E=210 GPa,V=0.3 ；高鉻鑄鐵D=7.65 g/cm3，E=135 GPa,V=0.25；鎬鋁復(fù)合陶瓷D=4 g/cm3，E=350 GPa,V=0.22。

4.2 分析過(guò)程

利用三維軟件Solidworks構(gòu)造出三維實(shí)體模型并保存成x_t格式的文件，然后通過(guò)分析軟件ANSYS Workbench將保存好的文件導(dǎo)入后進(jìn)行分析。首先設(shè)置材料的參數(shù)，對(duì)缸套的零部件進(jìn)行選材，設(shè)置各個(gè)接觸面之間的接觸關(guān)系，尤其是過(guò)盈接觸面一定要設(shè)置好過(guò)盈量。然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是說(shuō)明分析結(jié)果精確性的重要保證，因此為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格來(lái)保證分析結(jié)果精確性，必須自行合理地設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)。設(shè)置Relevance值為100，選取Relevance Center為Fine這樣便能夠得到精確的結(jié)果。最后對(duì)其施加載荷和約束，載荷為84 MPa的壓力施加在缸套內(nèi)壁，對(duì)缸套兩端面和外圓面施加固定約束，然后執(zhí)行并等待分析結(jié)果。

4.3 結(jié)果分析

由缸套的總位移應(yīng)變分布圖2可以看出，缸套內(nèi)壁的位移變形量由內(nèi)向外逐漸減小。雙金屬缸套的最大應(yīng)變部位在缸套內(nèi)壁中心且變形量為4.127 2 e-5m；組裝式陶瓷缸套最大應(yīng)變部位在缸套內(nèi)壁兩端且變形量為1.855 1 e-5m，對(duì)比圖2(a)與圖2(b)可知，雙金屬缸套的應(yīng)變量遠(yuǎn)高于組裝式陶瓷缸套。

圖2 缸套的總位移應(yīng)變分布圖

由缸套的最大Mises應(yīng)力分布圖圖3可以看出，兩種缸套的最大Mises應(yīng)力值均出現(xiàn)在缸套左右端內(nèi)襯倒角處，且雙金屬缸套的最大Mises應(yīng)力值為342.89 MPa，組裝式陶瓷缸套的最大Mises應(yīng)力值為535.24 MPa；而缸套內(nèi)壁的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，雙金屬缸套約153.02 MPa，組裝式陶瓷缸套約119.08 MPa。

由缸套的最大主應(yīng)力分布圖圖4可以看出，兩種缸套的最大主應(yīng)力均在缸套左右端內(nèi)襯倒角處分布，且雙金屬缸套的最大主應(yīng)力值為273.2 MPa，組裝式陶瓷缸套的最大主應(yīng)力值為701.97 MPa。缸套內(nèi)壁的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，雙金屬缸套大部分約為90.676 MPa，組裝式陶瓷缸套大部分約為89.022 MPa。

圖3 缸套的Mises應(yīng)力分布圖

由以上分析可知，雙金屬缸套和組裝式陶瓷缸套所受的應(yīng)力均在其許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，因此組裝式陶瓷缸套的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

5 總 結(jié)

綜上可知，隨著時(shí)代的進(jìn)步，鉆井泵向著大功率、高泵壓、人性化和智能化的方向發(fā)展，提高鉆井泵易損件的使用壽命是完善鉆井泵性能和生產(chǎn)效率的必要步驟。缸套作為鉆井泵液力端的易損件，其使用壽命直接影響著鉆井成本，因此陶瓷缸套的研究和發(fā)展是提高鉆井泵鉆井成本和使用壽命的必然趨勢(shì)。

組裝式陶瓷缸套充分發(fā)揮了鋼管外套和陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)，陶瓷內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)是高硬度、高耐磨、耐腐蝕、耐熱性好，鋼管外套的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好，總之就是該方法克服了陶瓷韌性差、鋼管外套硬度低、耐磨性差的特點(diǎn)。

圖4 缸套的第一主應(yīng)力分布圖

組裝式陶瓷缸套的設(shè)計(jì)方法對(duì)材料的利用率和人力的節(jié)省有了很好的改善，這很好的遵循了可持續(xù)發(fā)展理念，同時(shí)還可以大大提高缸套的使用壽命，可以滿足各類工業(yè)生產(chǎn)需求。