提升泥漿泵凡爾總成耐久度的方法分析

魏松

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

石油和天然氣鉆探設(shè)備用于在不同的環(huán)境中鉆探，以便于從碳?xì)浠衔飪又刑崛∈秃吞烊粴?。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆機(jī)通過其泥漿循環(huán)系統(tǒng)使用鉆井液來幫助鉆頭進(jìn)入地層。鉆機(jī)的泥漿泵使鉆井液（泥漿）在高壓下沿鉆孔內(nèi)的鉆柱向下循環(huán)，并沿環(huán)形空間（鉆井管狀系統(tǒng)和地面之間的空隙）向上返回。由于活塞的往復(fù)運(yùn)動，鉆井液開始從泥漿泵的泵室及泵的吸入和排出管線中流出。為了確保定向的流體運(yùn)動，泥漿泵配有凡爾，以交替中斷液缸與吸入和排出管線之間的連通。

凡爾是泥漿泵運(yùn)行中的重要元件，它們的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)在很大程度上影響泵的正常運(yùn)行，是泥漿泵中最重要的易損件之一。沖蝕和腐蝕是影響凡爾壽命的最重要現(xiàn)象，這與鉆井液壓力和流量有關(guān)。壓力和流量越大，沖刷腐蝕過程越強(qiáng)。

凡爾總成有凡爾、凡爾座、凡爾彈簧和凡爾密封等4個(gè)主要部件，如圖1所示。

圖1 凡爾總成

侵蝕性磨損的出現(xiàn)受到技術(shù)條件的影響，例如用于制造凡爾部件的基底材料、用于凡爾組件表面的硬化方法、凡爾的結(jié)構(gòu)形式及泥漿流動條件（如流速和壓力）。

1 泥漿泵凡爾的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)鉆井中使用的現(xiàn)代泥漿泵主要是三缸單作用活塞泵，流速高達(dá)3600 L/min，壓力高達(dá)50 MPa[1]。鉆井液具有在鉆井過程中從井壁收集碎屑并將其帶到地面的功能。對于泥漿泵，使用由螺旋彈簧加載并由彈性墊圈（橡膠或氨基甲酸乙酯）密封的凡爾，具有高等級加工的接觸面。完整的凡爾套件包括凡爾、凡爾座、凡爾彈簧、凡爾密封等主要部件。在圖2中，顯示了凡爾總成的截面。

圖2 凡爾總成截面

凡爾的主要結(jié)構(gòu)特征是：凡爾具有對流體流向阻力小的中央導(dǎo)管；凡爾座通過擠壓錐面（金屬與金屬接觸）安裝在液壓體上；凡爾彈簧確保凡爾在操作過程中的穩(wěn)定性。

高速和高壓且含有碎屑、沙子和鹽的鉆井液使得凡爾組件（尤其是凡爾密封和凡爾座）被侵蝕和腐蝕，從而降低了組件的壽命。凡爾磨損強(qiáng)度取決于通過凡爾和凡爾座之間空隙的鉆井液流速，也取決于凡爾與凡爾座接觸面的沖擊。

為了延長凡爾組件的壽命，必須考慮以下幾個(gè)問題：凡爾座由通過鍛造或精密鑄造獲得的合金鋼制成；凡爾座的接觸（磨損）表面通過感應(yīng)法、滲碳或滲氮程序硬化，以獲得高達(dá)65 HRC（832 HV）的硬度；接觸表面的精確拋光，以達(dá)到粗糙度要求；凡爾密封由高質(zhì)量橡膠或聚合物（聚氨酯）制成。

2 提高泥漿泵凡爾總成耐久度的方法

本文分析了增加泥漿泵凡爾耐久度的不同方法。凡爾組件壽命取決于兩個(gè)主要條件：1）技術(shù)條件，如凡爾的基礎(chǔ)材料、接觸面的硬化方法、凡爾的設(shè)計(jì)；2）關(guān)于鉆井液流速的流動條件。

泥漿泵凡爾和凡爾座的磨損類型[2]主要有：1）由于磨蝕性鉆井液的作用及泥漿泵在高工作壓力下運(yùn)行，凡爾及其凡爾座上出現(xiàn)水平臺階；2）凡爾磨損導(dǎo)致凡爾座呈橢圓形；3）凡爾密封磨損導(dǎo)致凡爾和凡爾座過早磨損；4）不斷的銹蝕磨損導(dǎo)致微小的點(diǎn)蝕變成微小的凹坑，微小的凹坑不斷地聯(lián)合成片，達(dá)到肉眼可見的程度。

侵蝕性磨損破壞了凡爾組件部件，并且破壞了接觸面的完美密封。此類失效通常是由于泥漿中的沙礫、鐵屑等硬物引起的。這些硬物在長時(shí)間的泵送過程中會不斷侵蝕閥體及其內(nèi)襯材料，直到閥失效。圖3顯示了受磨損影響的泥漿泵凡爾組件。

圖3 磨損的凡爾組件

2.1 泥漿泵凡爾設(shè)計(jì)

凡爾設(shè)計(jì)有三大類：1）全開凡爾。全開凡爾是一種優(yōu)質(zhì)凡爾，其特點(diǎn)是實(shí)心凡爾結(jié)構(gòu)，適用于34.5～51.7 MPa范圍內(nèi)的高鉆井壓力。凡爾座完全打開，便于維護(hù)操作。標(biāo)準(zhǔn)凡爾密封可現(xiàn)場更換，由橡膠或聚氨酯制成。標(biāo)準(zhǔn)凡爾彈簧由碳鋼制成。2）三腹板凡爾。三腹板凡爾是一種標(biāo)準(zhǔn)凡爾，是油田應(yīng)用中最受歡迎的凡爾型。其結(jié)構(gòu)為中心導(dǎo)向，在泥漿泵運(yùn)行期間，凡爾由凡爾座腹板的中心支撐。凡爾嵌入件被設(shè)計(jì)成即使在泵不工作時(shí)也能完美地密封凡爾上方的鉆井液。標(biāo)準(zhǔn)密封可現(xiàn)場更換，彈簧為螺旋狀。3）四腹板凡爾。用于低壓和中壓鉆井作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)是中心導(dǎo)向的，凡爾座有4個(gè)腹板，負(fù)載應(yīng)用類似于4個(gè)腹板的類型。凡爾密封用螺紋板固定，確?，F(xiàn)場更換更容易。標(biāo)準(zhǔn)密封可由橡膠或聚氨酯（目前最常用）制成，標(biāo)準(zhǔn)彈簧由碳鋼制成[3]。

對于所有類型的凡爾，根據(jù)鉆井應(yīng)用的不同，可以升級密封和彈簧。凡爾密封可由耐高溫聚氨酯或丁腈橡膠制成，可耐受100 ℃的鉆井泥漿溫度。標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯凡爾密封的壽命最長為5 a，高質(zhì)量密封的壽命最長為10 a。凡爾彈簧也有不銹鋼的，保質(zhì)期更長。

標(biāo)準(zhǔn)的凡爾密封可現(xiàn)場更換，但是對于高壓鉆井條件，凡爾可以配備不可更換的黏合密封，以確保更好的密封和更高的耐磨性。圖4顯示了泥漿泵凡爾的不同設(shè)計(jì)。

圖4 凡爾組件的類型

2.2 凡爾本體和凡爾座基底材料

凡爾本體凡爾座通常由低合金、表面硬化鋼制成，且接觸面硬化。用于制造凡爾座的鋼應(yīng)該在高硬度和高耐磨性之間保持平衡[4]。下面給出了幾個(gè)用于制作泥漿泵凡爾座材料的例子。

1）30CrNiMo8。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.26% ～0.34% ，Si 為0.40% ，Mn 為0.30% ～0.80% ，P 為0.035%，S 為0.035%，Cr 為1.80%～2.20%，Mo 為0.30%～0.50%，Ni為1.80%～2.20%。該種調(diào)質(zhì)鋼材料一般用于受載較大的零件，有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，還有足夠的塑性和韌性。在樣件20 mm條件下，其抗拉強(qiáng)度σb在1250～1450 MPa之間，屈服強(qiáng)度σ0.2大于1050 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于40%，沖擊功Akv大于

30 J，硬度可達(dá)370～415 HB。

2）17MoNi35。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.14%～0.20%，Si為0.20%～0.35%，Mn為0.30%～0.70%，P為0.025%，S為0.025%，Cr為0.25%，Mo為0.20%～0.30%，Ni為3.20%～3.80%。該合金結(jié)構(gòu)鋼具有高強(qiáng)度、較高韌性，在樣件20 mm條件下，其抗拉強(qiáng)度σb大于1100 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2大于950 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于45%，沖擊功Akv大于30 J，硬度可達(dá)260～350 HB。

3）AISI 4340。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.38%～0.43%，Si為0.20%～0.35%，Mn為0.60%～0.80%，P為0.040%，S 為0.040%，Cr 為0.70%～0.90%，Mo 為0.20%～0.30%，Ni為1.65%～2.00%。該種調(diào)質(zhì)鋼有高的強(qiáng)度、韌度和優(yōu)良的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性，但白點(diǎn)敏感性高，有回火脆性。在樣件25 mm條件下，其抗拉強(qiáng)度σb大于980 MPa，屈服強(qiáng)度σs大于835 MPa，伸長率δ5大于12%，斷面收縮率ψ大于55%，沖擊功Akv大于78 J，硬度小于269 HB。

4）AISI 5120。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.17%～0.22%，Si為0.15%～0.30%，Mn為0.70%～0.90%，P為0.035%，S為0.040%，Cr為0.70%～0.90%。該合金結(jié)構(gòu)鋼具有高強(qiáng)度、較高韌性，經(jīng)淬火后具有良好的綜合力學(xué)性能，切削加工性良好，但冷變形塑性低，焊接性差。在樣件20 mm條件下，其抗拉強(qiáng)度σb大于1000 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2大于800 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于40%，沖擊功Akv大于30 J，硬度可達(dá)269 HB。

5）20CrMnTi。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：C為0.17%～0.23%，Si為0.17%～0.37%，Mn為0.80%～1.10%，P為0.030%，S 為0.030%，Cr 為1.00%～1.30%，Ti 為0.04%～0.10%。該鋼是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件。在樣件15 mm條件下，其抗拉強(qiáng)度σb大于1080 MPa，屈服強(qiáng)度σs大于835 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于45%，沖擊功Akv大于69 J，硬度小于217 HB。

2.3 用于提高凡爾座接觸面耐磨性的硬化方法

凡爾座的接觸面采用不同的方法硬化，具有不同的耐磨等級。凡爾座的一些硬化方法有滲碳/碳氮共滲、感應(yīng)表面淬火、表面激光熔覆、高速火焰噴涂，不同制造商采用不同的硬化方法。

從不同凡爾的現(xiàn)場實(shí)際使用效果來看，不同的硬化方法得到的效果也不盡相同。

滲碳是一種鋼的熱處理工藝，可將外表面奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[5]。滲碳后，鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火，以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。硬化層的厚度約為2.0～2.5 mm，硬度為52.5～57.0 HRC。

感應(yīng)表面淬火是一種硬化方法，使零件在交變磁場中切割磁力線，在表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)交流電的集膚效應(yīng)，以渦流形式將零件表面快速加熱，然后急冷[6]。感應(yīng)加熱淬火后零件表面的硬度高，心部保持較好的塑性和韌性，故沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和耐磨性等有很大的提高。所獲得的硬化層具有大約2 mm的受控深度和58 HRC的最高硬度，這是馬氏體結(jié)構(gòu)所特有的。感應(yīng)淬火方法提供了工件表面良好的耐磨性和基體材料足夠的硬度。

在惰性氣體環(huán)境中用激光熔覆是一種硬化方法[7]，涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化特性。沉積層（一層）的深度在3～5 mm之間變化。最高硬度范圍在55.2～59.0 HRC之間。

使用HVOF（高速火焰噴涂）方法的熱噴涂可用于在鋼上沉積耐磨層。該過程意味著將涂層粉末噴入氧氣和燃料的熱噴射混合物中。然后，材料以受控的方向以超音速向待涂覆的表面噴射。通常使用的粉末是碳化鎢（WC）、碳化鉻、氧化鋁。所得涂層具有高耐磨性和低孔隙率[8]。沉積層的厚度約為0.4 mm，研磨后約為0.2 mm。涂層的最高硬度在70～74 HRC之間。

在4種方法中，HVOF硬化法獲得的效果最佳，具有最高的硬度（74 HRC）和最低的層厚度（0.2 mm）。

2.4 凡爾密封材料

目前制造凡爾密封的材料一般為高性能橡膠或者聚氨酯類聚合物，隨著材料科技發(fā)展，可采用具有更優(yōu)異的動態(tài)抗沖擊性和優(yōu)異的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的新型復(fù)合材料，如一種由聚氨酯彈性體和新型納米聚合物組成的復(fù)合材料。其中納米聚合物由硅烷偶聯(lián)劑改性的氧化鋁微球和功能化離子液體通過雙鍵聚合而成。據(jù)研究[9]表明，具有不同納米聚合物負(fù)載量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.5%）的聚氨酯彈性體的綜合力學(xué)性能均有所提升，其中含1%納米聚合物的聚氨酯彈性體性能最好，其靜態(tài)壓縮下的壓縮屈服強(qiáng)度比純聚氨酯彈性體高約61.13%，動態(tài)沖擊的能量吸收也提高了約15.53%。而且形狀記憶效果非常好（形狀恢復(fù)率約為95%），微觀損傷程度相對較小。使用此種材料來制造凡爾密封，能有效提高其強(qiáng)度及耐磨性。

3 結(jié)語

凡爾是泥漿泵運(yùn)行中的重要元件，其結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)在很大程度上影響著泵的正常運(yùn)行。根據(jù)不同的鉆井液壓力及流速使用合適結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的凡爾。凡爾本體和凡爾座材料的選用必須在硬度和接觸面耐磨度之間達(dá)到平衡。為了增加凡爾的耐磨性，其接觸面可采用不同的表面硬化工藝。凡爾密封方面采用聚氨酯彈性體和新型納米聚合物組成的復(fù)合材料，以提高其強(qiáng)度與耐磨度。在更換零件時(shí)成套更換凡爾總成各組件，可有效延長凡爾使用壽命，降低凡爾更換或維修的成本，縮短相關(guān)的停工時(shí)間。