鉆井平臺滑動磨損機理與對策研究

陳衛衛，魏國強，周桂菊,魏 智

（ 1.天津市禾厘油氣技術有限公司，天津 300451；2.河北工業大學，天津 300130）

鉆井平臺滑動磨損機理與對策研究

陳衛衛1，魏國強1，周桂菊1,魏 智2

（ 1.天津市禾厘油氣技術有限公司，天津 300451；2.河北工業大學，天津 300130）

大噸位海上石油鉆井平臺在應用中，其滑動模塊的劃痕磨損有時比較嚴重，若不采取措施消除這種問題，將會帶來安全隱患。文章對海上石油平臺滑動模塊的磨損問題進行了多角度的分析，利用工程軟件建立了受力和變形分析模型，對不同工況進行了應力和變形狀況對比分析，同時也考慮到雜質、溫度等其他因素的影響，探討了磨損劃痕問題的產生機理，并針對磨損問題從結構、表面處理和潤滑等方面提出了幾種改進方案。

鉆井平臺；軌道；滑動磨損；改進方案

1 鉆井平臺軌道劃痕的特點

當前，很多鉆井平臺在軌道滑鞋所組成的滑動副上都有磨損劃痕存在，尤其是大噸位鉆井設備模塊的應用安裝現場，這種劃痕現象更為嚴重，從整個鉆井平臺行業的發展趨勢來看，如果不采取適當措施消除這種磨損劃痕問題，將會帶來安全隱患。通常所產生的劃痕主要有以下3個特點：

（1）存在很深的劃痕槽。經現場經驗豐富的工程師檢驗，認為軌道滑鞋滑動副之間存在異物，該異物硬度大于軌道和滑鞋所用材料D36的表面硬度，在初次滑動之前可能沒有將軌道上的異物清除干凈而使其進入滑動副之間，進而嵌入接觸材料，導致了很深的劃痕槽。

（2）劃痕的位置有規律。通過現場勘察，發現多處劃痕位于軌道中部附近區域，而該區域下方為軌道工字型支撐結構的肋板所處位置，所以初步推斷，在實際接觸時，摩擦副的接觸面積比理論接觸面積要小很多，原因可能是軌道面在預制過程中某些環節相互作用而導致肋板兩側下彎。

（3）存在較大的撕裂坑狀磨損。某個表面與另一表面產生耦合，當發生相對滑動且耦合強度大于材料的剪切強度時，就會產生材料被剝離基體的情況，剝離出的材料耦合粘結到另一材料上，隨著運動和剝離體嵌入另一材料的程度不斷加大，就會發生更加劇烈的粘著磨損，導致嚴重磨損的結果。

2 軌道與滑鞋在不同工作條件下應力和溫度狀況

在平臺設計過程中，無論是對軌道本身的平面度、直線度，還是兩個軌道之間的平行度等，都進行了嚴格的設計約束規定，但是在預制完成及投入正常使用后，沒有驗證這些約束量的具體數據，在操作工況下這些指標很可能不滿足使用要求。

此外，對于滑動副材料 （D36）只是經驗性地進行沿用，在載荷和工況不斷變化的情況下，這種材料是否還能滿足當前的使用條件，在正常操作過程中，這種材料是否還安全可靠，都還需要根據實際情況深入探討，不斷進行改進或者重新選擇。

針對目前的磨損狀況，結合現場觀察、研究，初步認為是滑軌在現在的工況下處于非完全接觸狀態，進而導致滑軌摩擦過程中所受應力與溫度處于非正常狀態，為磨損的產生創造了基本條件，下面以ANSYS軟件為基本工具，建立與實際情況相對應的模型，進行不同工況下的應力和溫度分析，對磨損產生機理進行分析研究，提出改進方案，最終解決磨損問題。

在已知數據 （如軌道、滑鞋的具體尺寸、工作載荷）時，針對不同平行度的假設，利用ANSYS軟件或其他手段對軌道與滑鞋的應力及溫度狀況進行模擬分析。

2.1 應力狀況分析

2.1.1 滑鞋面與軌道面完全均勻接觸

即不存在左右軌道面的平行度誤差過大問題，此時，將滑鞋面與軌道的一部分根據實際圖紙尺寸建立CAD實體模型，然后通過相應接口將其導入ANSYS軟件進行應力分析。對于應力分析，關鍵點在于材料單元類型的選擇、網格的劃分及接觸對的建立，本分析采用Solid187單元，按照最小網格尺寸的原則進行網格劃分，并使用Contact Wizard向導進行接觸對的建立，然后添加相當于實際情況的約束，施加經過計算的工作載荷，經過計算機分析最終得到應力分布結果，如圖1所示。計算發現在滑軌表面沒有大于350 MPa的應力節點，表明兩個摩擦接觸面在正常的完全接觸工況下理論上不會發生應力破壞現象。

圖1 壓力與邊界條件加載及節點應力計算結果

2.1.2 滑鞋面與軌道面不完全接觸

即存在左右軌道面的平行度誤差過大問題，此時，假設滑鞋面與左右軌道面之間的平行度誤差只有1/2的實際接觸面積，然后使用相同的方法進行分析計算。此外，最后的工作載荷由于實際接觸面積的減小而增大為之前完全接觸狀態值的2倍，最終得到應力分布結果見圖2。發現在滑軌表面存在大量大于350 MPa的應力節點，從理論上講，兩個摩擦接觸面在此工況下將會發生應力破壞現象。

圖2 對應節點的應力大小

2.2 溫度狀況

在滑軌與滑鞋接觸滑動過程中，接觸面在較大正壓力的作用下會產生大量的熱能，此外在接觸區域溫升的過程中，接觸表面的微觀形貌及化學性質也在發生變化，這些都為因熱應力疲勞而導致的摩擦磨損提供了必要條件。對以上兩種情況，利用ANSYS中的熱結構耦合單元Plane13進行分析，分別得到相應溫度場結果，對于完全接觸的工況，最高接觸溫度在100℃之內，而非完全接觸的工況下，最高瞬間接觸溫度能達到200℃以上，在這樣的溫度場影響下，接觸材料的磨損必然發生。

3 滑動副磨損與劃痕產生的機理與過程

根據前面的分析結果，并結合現場實際工況，對磨損與劃痕的產生過程以應力和溫度綜合影響為基本思路進行闡述。

對于第一種情況，分析結果表明，接觸面的最大應力沒有超過350 MPa，所以在這種情況下，產生深溝劃痕或者撕裂坑磨損的話，只能歸咎于滑動過程中產生的高溫使得接觸表面的材料發生了相變，導致力學性能發生變化，從而產生粘結現象，最終導致了撕裂狀磨損的產生。而深溝劃痕則是由于相變過程中產生的顆粒狀二次硬化組織或者外來雜質嵌入滑鞋基體，從而在軌道中劃出深溝劃痕。

對于第二種情況，應力分析結果表明，在軌道與滑鞋接觸面上甚至出現600 MPa以上的應力，說明此時軌道面部分區域已經到達并超過屈服極限。而該過程中接觸面產生的高溫較第一種情況更高，所以在二者的綜合作用下，接觸面微觀粘結現象不斷地累積，最終導致大面積撕裂狀損傷的出現。

在接觸區域已經達到屈服極限和較高溫度的情況下，從微觀上講，接觸面之間便會由于平面度誤差的存在，而產生材料表層的耦合、粘結作用，而該運動副在滑動過程中，會存在一定的嵌入現象，這樣就發生了粘著，而被粘著帶出的部分材料由于高溫和之后的冷卻作用而牢牢附著在另一材料上，進而隨著運動的繼續而產生更大的撕裂坑狀磨損。

此時，如果滑鞋與軌道表面之間存在焊渣等堅硬雜質，或者由于摩擦熱而產生的二次硬化組織顆粒的存在，這些硬度較接觸區域材料較大的 “第三者”便會輕易地在接觸區域產生 “切削”作用，導致較深的劃痕，這也正是軌道面上較深溝槽產生的原因。

4 針對磨損問題的改進方案

4.1 局部結構變更方案

4.1.1 在滑鞋底面與平臺支撐腳之間增加關節結構

由于預制和安裝后的左右主滑軌平行度存在較大誤差，從而導致個別支撐腳及滑鞋所受應力狀態差別較大，甚至超過材料本身的屈服強度，最終產生疲勞損傷與粘著損傷混合的嚴重磨損。消除左右主滑軌之間的平行度誤差或者使各個滑鞋受力均勻化能夠解決該問題。因此在滑鞋底面與支撐腳之間添加了關節結構，如圖3所示。該關節結構可以在左右軌道之間存在較大誤差的情況下進行自校正，使得滑鞋受力較之前更加均勻化。

圖3 滑鞋改造裝配圖及分解示意

4.1.2 改變運動方向上的直角邊棱結構為圓角結構

由于軌道、滑鞋之間的不平行或者滑軌本身存在的水平度誤差問題，滑鞋底面前進方向上的邊棱可能會對軌道產生刮削效應，因此將邊棱更改為圓角結構，可以從一定程度上緩解這種結構的副作用，但同時考慮到在工作過程中可能存在雜質掉落到滑軌面上的情況，圓角結構的存在會使得雜質也容易進入到接觸面中，所以又進行了下面的改進。

4.1.3 在圓角結構之外添加橡膠擋塊裝置

在工作過程中，考慮到既要阻擋一定尺寸的雜質，還要保證軌道面上的潤滑物不被橡膠擋塊裝置刮走，所以添加了具有特殊形狀的橡膠擋塊裝置，以達到阻擋雜質而保留潤滑物的雙重目的。

圖4上圖為擋塊裝配到滑鞋上的全局結構圖，下圖為擋塊的結構詳圖。考慮到擋塊擋雜質而不能刮走接觸面上潤滑油脂的問題，將擋塊前端設計為倒三角形，使得雜質被阻擋而油脂可以透過，從而保證正常潤滑和阻擋雜質的效果。

4.2 接觸材料特殊表面處理方案

通過硬化、滲流工藝，提高硬度與抗粘著性。首先進行滲碳處理，通過表面滲碳技術，可以提高基體表面硬度，較高的硬度可以提高材料的耐磨損性能，研究表明，材料的粘著磨損率可以用以下公式計算：

式中Wv——粘著磨損的體積磨損量/mm3；

圖4 擋塊與滑鞋裝配結構示意

K——磨損系數[1]；

FN——法向載荷/N；

S——滑動行程/mm；

H——摩擦副中較軟一方材料的硬度/MPa。

從該公式中可以看出，在材料和工況確定的條件下，粘著磨損量與較軟一方材料的硬度成反比，所以提高接觸雙方表面硬度具有十分重要的意義。

進行滲硫處理。相關文獻表明，滲硫后材料的摩擦系數和磨損量均降低。在摩擦副雙方均有固體硫氣化滲硫層時，用30#機油潤滑，可使灰鑄鐵、球鐵、45＃鋼的摩擦系數分別降至青銅的67%、56%和33%。同樣在中等載荷下 （P＝1.5 MPa），滲硫45＃鋼的耐磨性是銅合金的204倍，且45＃鋼經過摩擦試驗后，表面粗糙度明顯改善[2-4]。調質45＃鋼滲硫后滾動摩擦系數降低了14%～42%[5]。45#鋼滲硫件的抗咬合能力比未滲硫零件提高27倍；滲硫灰鐵與滲硫45＃鋼淬火件組成摩擦副的磨損率為鋁青銅與45#鋼淬火件組成的摩擦副的1/15[6]，并且能夠在較高負載的情況下保持有效性和穩定性。

通過以上兩步的處理，材料較之前具有更高的硬度、更好的耐磨性和抗粘著磨損性能，可最大程度地減輕軌道磨損。

4.3 更換導軌材料

為了提高軌道材料的強度及耐磨性能，并且避免同種材料接觸增大粘著磨損發生幾率的情況，可以考慮更換導軌或者滑鞋的材料，加之平臺運行后，滑鞋材料的更換相對軌道比較困難，且之前受損的是軌道面而非滑鞋面，所以考慮更換導軌的材料，或者在原來基體材料的基礎上再鋪設一定厚度的新導軌材料，這種新材料的強度應高于之前材料的強度，并且耐磨、耐高溫。經過文獻查閱與資料匯總，推薦使用耐磨鎢鋼，牌號為M20，其HRA硬度能達到89.5，其抗彎強度能達到1 500 MPa以上，這樣既可以保證軌道的韌性，又能保證軌道表面的高硬度和耐磨性能，得到良好的抗磨損性能。

4.4 更換潤滑劑方案

在滑鞋、導軌活動過程中，由于壓力較大，使得接觸面之間存留的潤滑脂幾乎全被擠走，潤滑脂幾乎沒有對實際接觸面產生有效的潤滑效果，同時考慮到海上設備對環保要求較嚴格，不能使用可能會污染海洋環境的大量噴油來保證接觸面中的潤滑油量，所以考慮使用固體潤滑劑，如MoS2、氮化硼、石墨等，然后采用適當的方法在滑軌上形成潤滑膜，或者在滑鞋的中部制作出一些小的漏斗結構并通過其對滑動中的滑軌面進行固體粉末潤滑，從而降低摩擦系數，最大程度減小磨損情況的發生。

[1]王曉偉，宋丁昆.基于粘著磨損機理的內燃機汽缸粘著磨損分析[J].濮陽職業技術學院學報，2008，21（3）：7-8.

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[3]張弋飛.硫蒸氣輝光放電合成表面潤滑材料（FeS）的性能及其應用[J].機械工程材料，1990，（1）：39-43.

[4]劉健海,王慧.45#鋼表面滲硫處理后耐磨性能的研究[J].固體潤滑,1988，（3）∶177-180.

[5]周榕.摩擦副零件輝光放電滲硫[J].金屬熱處理，1991，（12）：44-46.

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Research on Mechanism and Countermeasures of Skimming Wear of Drilling Platform

CHEN Wei-wei（Tianjin Heli Oil&Gas Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300451， China），WEI Guoqiang， ZHOU Gui-ju， et al.

The skimming wear of sliding module of heavy drilling platform may be serious during its operation,which may produce safety problems if no proper countermeasures taken.This paper comprehensively investigates the skimming wear problem.The analytical model is established by means of the software ANSYS to describe loading stress and deformation for different work conditions with consideration of the influences of impurities and temperature The mechanism of the skimming wear is discussed and several countermeasures are proposed in aspects of structure,surface treatment and lubrication.

drilling platform;track;skimming wear;improvement scheme

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.002

陳衛衛 （1984-），男，山東禹城人，助理工程師，2007年畢業于青島濱海學院，現從事海洋鋼結構設計工作。

2012-01-06；

2012-06-04