試分析提高泥漿泵缸套的耐磨性的措施

韓翔

摘 要：眾所周知，作為石油鉆機中重要配套設備的泥漿泵，其缸套是它的核心組成部件，具有不可替代的強大功能。但缸套內表面在缸套內活塞往復運動與泥漿直接接觸時，極易被泥漿中包含的堿鉆液和微小固體顆粒說磨損腐蝕。并且嚴重時，還會導致吸排泥漿功能失效和泄露泥漿的現象，從而造成缸套無法繼續使用。故缸套屬于一次性易損且無法回收的零部件，其壽命長短將對鉆井成本造成重大的影響。

關鍵詞：泥漿泵缸套 耐磨性 提高措施

中圖分類號：TH38 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0086-02

作為旋轉鉆井泥漿循環系統最關鍵的設備，泥漿泵常被人們稱之為鉆機心臟。但在泥漿泵實際作業的過程中，由于輸送的泥漿黏度較大、壓力較高、砂石含量較多，并且其腐蝕性較強，容易導致缸套磨損失效的現象，所以材料是否選用合理，工藝安排是否合理，對缸套使用壽命延長的意義非凡，該文主要針對缸套磨損失效等問題，指出有效提高缸套耐磨性的措施。

1 分析泥漿泵基本參數和關鍵結構受力

1.1 泥漿泵排量參數確定

通常鉆井工藝要求直接確定了泥漿泵排量，排量最低返速值即鉆井工藝的最低要求。主要是指將巖屑被攜帶出地面時保證最低鉆井液自環形空間上返的速度。促使上返速度達到Vt，即：其中，表示并聯在鉆井中工作的鉆井泵臺數為Z0，通常Z0在完井井段則為1，而在開鉆井段則為1～2；表示實際單臺泵排量的為QR；表示井眼直徑和鉆桿外徑的分別是dh和db。

一般而言，我國對完井井段和開鉆井段的最低返訴分別為 0.8 m/s和0.4～0.6 m/s。鉆井泵最大排量必須和開鉆井段要求一致，完井井段泵壓排量必須與完井井段最低返速要求一致。

1.2 鉆井泵的泵壓確定

一臺鉆井泵選定最高排除壓力，即設計的最高工作壓力，取決于鉆井工藝需要和液力端密封耐壓極限。當前鉆井中使用的最高泵壓一般為200×105 Pa，鉆井地面最高壓力為343×105 Pa（350 kgf/cm2），不過由于鉆桿接頭密封，泵易損件等配套不足，無法實行，其可作為泵的儲備能力。而一般鉆井泵的液力端密封耐壓極限最高可達343×105 Pa左右，因此其實驗壓力為2×343×105=686105 Pa。

1.3 鉆井泵的沖次和沖程長度確定

鉆井泵沖次選取時，要合理考慮鉆井泵易損件和吸入性能的壽命。而灌注泵在有配置且吸入性能得以保證的條件下，易損件的壽命是主要考慮因素。為保證缸套和活塞的壽命合理，鉆井泵活塞運動速度必須限制為Uav。經實踐證明限制三缸泵Uav在180 ft/min=0.915 m/s時，所有易損件的壽命都能得以合理保證。經實踐證明限制雙缸泵的Uav為180 ft/min=0.915 m/s時，所有易損件的壽命都能得以合理保證。Uav定義為Uav。

1.4 泥漿泵活塞桿推力的確定

根據活塞桿推力數值可以確定傳動端的基本承受荷載，因此，鉆井泵設計的基本參數之一包括活塞桿推力。通過公式Fa= 1.06pdA和，計算出額定活塞桿推力為。

1.5 鉆井泵額定功率的確定

鉆井泵性能參數中泵壓和排量是最重要的兩項，其乘積為功率。而一臺鉆井泵能力的大小體現在功率數上，且功率數也是其配備動力的關鍵，所以在選擇泵時功率數往往是首要考慮參數。實際上泵額定功率作用就在于此。當前雙缸泵的公認額定功率N的計算公式為：。其中尺寸一致的缸套最高泵壓以pd表示，額定沖次時與某一尺寸缸套與之相對應的理論排量以Qsa表示。同時泵的輸入功率為：。兩式相除得出最終功率為：。當泵接近滿負荷或滿負荷工作時，η值可取0.88；因缸徑和泵壓的差異ηv也會產生變化一般ηv=0.96或0.92.若取平均值0.94，公式計算則N=1.04Nb。也就是三缸泵額定功率值在泵壓、排量一致的條件下，可接近泵要求的輸入功率值。由此，泵工作于額定沖次時的輸入功率即為鉆井泵額定功率。但介于該式中含有功率數據，不便于礦場操作者，所以將其推廣應用于任意泵壓和理論排量時的泵輸入功率計算，即。

2 磨損機理及其分類

2.1 泥漿泵缸套磨損分類

通常泥漿泵缸套按其磨損機理可分為：磨粒磨損、腐蝕磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損和微動磨損。而磨粒磨損和粘著磨損是石油鉆井缸套磨損中常見的兩大類磨損現象。

泥漿泵實質上的作業內容就是輸送泥漿。而水和細小沙石顆粒是泥漿的主要組成部分。因此對液體中顆粒和磨損關系的探討十分必要。若摩擦表面嵌入硬顆粒，將在兩個相互磨損的表面起到切削作用，同時在切削過程中還會產生更多硬顆粒，從而出現磨粒磨損的現象。通常顆粒數目、硬度與磨粒磨損的重要程度是呈正比狀態。另外，當硬顆粒在摩擦面間的摩擦過程被不斷的碾壓、劃擠時，還會導致表面原子錯位和局部塑性變形，造成表面疲勞磨損的情況。

同時，在碾壓、劃擠作用下，硬顆粒還將導致表面被擠出高壟。并且在日后的磨損過程中這些高壟還將引起金屬直接接觸摩擦面，最終發展為粘著磨損。

2.2 泥漿泵缸套受液體中顆粒破壞的形式

由于泥漿泵流動系統為含固體顆粒的兩相流系統，其作業內容直接決定著泥漿泵的所有過流部件主要受損破壞為流體磨粒磨損。因此破壞形式的劃分根據流體中顆粒接觸過流部件工作面的方式，可被具體分為三種形式：小角度剝蝕、研磨損壞、高角度沖擊磨損。

在泥漿泵機上最容易受到磨損的部件之一便是泥漿泵缸套。對于泥漿泵缸套質量性能而言，抗腐蝕及耐高壓和磨損是其最突出的要求以及很高的配合尺寸精度。通常泥漿泵缸套的作業環境十分惡劣，包括：承受介質中酸堿度的腐蝕；十幾到三十幾兆帕壓力；機械在高溫高速下會受到介質中磨料的磨損。泥漿泵缸套在作業狀態下，活塞的外表面與缸套的內表面間是沙粒滿嵌，作為運動過程中磨料的沙粒，會引起缸套的磨粒磨損，一般HV600～10000是沙粒的硬度。磨損是缸套失效的主要原因，當達到0.2～ 0.3 mm的磨損時，就將引起泄露泥漿，降低泵壓，出現缸套報廢情況。

2.3 泥漿泵缸套磨損主要原因

泥漿泵被稱之為石油鉆機的心臟是油田開采的主要設備之一。介于鉆井工藝實際需求泥漿本身性能復雜，具有相應的酸堿度。當前用于油田開采的泥漿泵多為高鉻鑄鐵內套和碳鋼外套復合型雙金屬缸套，缸套生產工藝流程為：首先利用離心鑄造方法制出高鉻鑄鐵內套和碳鋼外套，對其熱處理后分別進行機械加工，并再加熱外套鑲裝內套，最后對連接為整體的缸套進行加工研磨。在泥漿泵作業時缸套是最關鍵的易損件，工作介質多為高磨礪性固相顆粒比如SiO2、Al2O3，泥漿泵缸套工況條件惡劣，通常是磨粒磨損的條件下作業，由于缸套工作壓力過高，在與活塞摩擦時易產生高溫進而影響到金屬的硬度，加上泥漿其本身就是堿性物質，容易造成對缸套的腐蝕，導致更嚴重的缸套磨損情況。另外，泥漿泵缸套過早磨損絕大部分原因和內套材料硬度普遍小于55～58HRC也有關。在實際中內套硬度值按照API標準取值應該在60HRC左右。而小于這個數值多數是因為提高缸套硬度主要材料鉻的含量較少，所以會導致泥漿泵缸套出現過早磨損現象。而國外采用的牌號為KmTBCr2含26%～28%鉻量的高鉻鑄鐵材料，在熱處理后可促使內套硬度達到60HRC或以上，其使用壽命平均約800H。

3 泥漿泵缸套耐磨性提高途徑及噴涂工藝

3.1 選擇耐磨涂層的材料

耐磨涂層本身性能及其與基體材料載荷的施加方向和大小、化學和力學匹配性直接決定著耐磨涂層的選擇要求，包括涂層耐磨性和涂層結合強度兩方面要求。選擇耐磨涂層材料時要與這幾方面相吻合：①用于軟支承的涂層，允許磨粒嵌入及變形來調整軸承表面；②用于硬支承的涂層，其工作條件為高載荷低速工況，通?？捎迷谙拗茲櫥课?、不重要的可嵌入性和自動調整性部位；③用于耐磨粒磨損的涂層，低于540℃使用溫度時，涂層易受外來磨粒顆粒犁溝切削的作用，涂層硬度必須高于磨粒硬度，選取自熔合金加Ni/Al或Mo混合粉末的高鉻不銹鋼為涂層材料為佳；④用于耐硬面磨損的涂層，低于538℃使用溫度時，由于較軟面上的硬面滑動易產生磨損，即硬面突出部分導致軟表面開槽產生與磨粒相同作用的碎屑造成磨損，針對這類情況可采用自熔合金、碳化鎢或氧化物陶瓷、鎳、鐵、鉆基噴涂材料、有色金屬及某些難溶金屬為涂層的材料。

綜合以上要求與材料本身性能，噴涂材料最終采用鉆基碳化鎢為佳。而之所以選取這種材料，一是因為泥漿泵缸套工作環境惡劣，二是鉆基碳化鎢粘自溶性較好，三是能媲美真空下致密整體硬質合金的性能。

3.2 選擇耐磨層噴涂方法

當前應用十分廣泛的技術還要算熱噴涂技術，根據涂層材料和工藝方法的不同選擇，其可以制備相應的功能涂層比如導電絕緣、減耐磨、電磁屏蔽吸收、耐腐蝕抗高溫氧化、遠紅外輻射等。所謂熱噴技術主要是將噴涂材料通過熱源加熱到半熔化或熔化狀態，借助一定的速度將其噴射沉積到已經接受過預處理基體表面而形成涂層的方法，并實現基體表面具有上述提到功能的目的。而諸如電弧噴涂、高速活性燃氣噴涂、等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂、高速等離子噴涂等極為熱噴涂技術，其特點優勢各異。但不管是那種熱噴涂技術工藝，噴涂過程中涂層形成的結構和原理基本相同?？晒┻x擇的熱噴涂技術是多樣化的，高速射流能保證硬質合金大密度的顆粒運量增大，能在基體表面產生撞擊后形成緊密優質的耐磨涂層，因此該研究者認為選用超音速等離子噴涂即高速等離子噴涂技術效果最佳。

4 結語

綜上所述，由于泥漿泵缸套屬于易損且一次性部件，一旦磨損報廢對于鉆井成本影響極大。所以，通過分析泥漿泵關鍵結構受力和基本參數，即泵壓、沖程長度、排量、活塞桿推力和沖次，探討泥漿泵缸套磨損機理和分類，該文指出了泥漿泵缸套耐磨性提高的途徑及噴涂工藝，包括如何選擇耐磨涂層的材料以及噴涂方法。

參考文獻

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