高壓注水管線磨損簡析

王雷 王牧 孫鈿翔 韓欠欠（長慶油田第十二采油廠，甘肅 慶陽 745400）

高壓注水管線磨損簡析

王雷 王牧 孫鈿翔 韓欠欠（長慶油田第十二采油廠，甘肅 慶陽 745400）

隨著油田開發的深入，油田注水工作也越來越重要，油田注水壓力也在不斷提高。注水管線必然存在不同程度的腐蝕磨損。為更好地保障油田注水工作，本位從油田高壓注水管線磨損現狀著手，提出幾點減少磨損的方法。

注水；高壓；磨損

高壓注水管線出現管線底部磨損嚴重，變薄甚至開裂的現象。研究認為由于管線內部不光滑，在高壓條件下管線底部受到摩擦力最大，對管線的磨損最多，導致注水管線底部出現大面積連續性的凹槽。

1 摩擦的客觀存在性

金屬表面由若干層次的表面層組成，外表面由物理吸附和化學吸附作用生長的吸附層以及氧化形成的氧化膜；內層由塑性變形層組成。所以物體表面不是光滑表面，兩種介質接觸時便存在摩擦接觸面積，尤其液體接觸時接觸面積更大。按照摩擦理論，當兩個物體相互接觸并出現相對運動或相對運動趨勢時就會產生摩擦力。水在鋼管內部流動時主要表現為滑動摩擦，且摩擦力流體粘度有關。

2 磨損機理簡析

磨損是伴隨摩擦而產生的結果，他是相互接觸物體在相對運動時，表面材料不斷發生損耗的過程。磨損大致可以分為三個階段：①跑和階段；②“穩定”磨損階段；③“急劇”磨損階段。

磨損主要受三方面的作用影響：

①表面的作用。如機械運動形式，滾動還是滑動，表面分子作用形式。②表面的變化。物理性能的變化，如硬度等;化學性能的變化，如化學膜的作用變化；表層結構的變化，是變形還是無變形等；以及組織成分的變化，如鋼的表層含碳量[1]。③破壞形式。主要分為磨屑形式和表面磨損形式。

2.1 磨損的種類

（1）粘著磨損：當摩擦副接觸時，由于表面不平發生點接觸。在相對滑動和一定載荷作用下，接觸點發生塑性變形或剪切，使其表面破裂，摩擦表面溫度升高，嚴重時表層金屬會軟化或熔化，此時接觸點出現粘著。

（2）磨粒磨損：對于粗糙硬表面把軟表面劃傷，或者兩接觸面受外界硬粒劃傷表面，都屬于磨粒磨損。

（3）表面疲勞磨損：表面疲勞磨損是指摩擦時表面有周期性載荷作用，使接觸時產生很大的變形和應力，并形成裂紋而破壞的現象。

（4）磨蝕磨損：材料在摩擦時與周圍介質發生化學反應或電化學作用的磨損，他是一種需要考慮環境介質影響的磨損[2]。

2.2 磨損模型

在高壓條件下，注水管線內的水近視看做很多硬度很高磨粒棱角不明顯的的剛體，這時注水管線會發生犁溝變形，磨粒一邊向前推擠材料，一邊將材料犁向溝槽兩側。在切削情況下，材料就像被車刀車削一樣從前方被去除，磨損表面留下明顯的凹槽。

當磨料以較大的角度作用于材料表面時，材料不具備被切削的條件，此時磨料顆粒將材料從坑中擠出，在眾多磨粒反復作用下，材料多次變形硬化失去塑性，直到應力超過材料的強度極限后形成扁平狀磨屑脫落。

2.3 管線受力數學推導

FG：重力

FP:管線壓力FA

R：管線半徑；

P：注水壓力；

g:重力系數；

ρ：流動介質的密度；

θ：重力與壓力的夾角；

F合：重力與壓力的合力；由公式可以看出只有重力與壓力夾角為零且重力與直徑方向重合出受力最大。

所以管線四周的受力情況對比可知管線底部所受摩擦力最大。當管線處于傾斜面上時，在重力方向上重力與壓力的合力大于管線處于水平位置上的合力，且合力在0-90°范圍內隨著角度增加而增加。

綜上管線底部磨損現象更嚴重，更容易出現明顯的凹槽劃痕。

2.4 減少磨損方法

①管線內部加內涂層，減少摩擦力。管線內涂層可以有效減少接觸面的摩擦系數，從而減少摩擦力，同時內涂層可以減少細菌滋生，減少微生物對金屬管材的腐蝕；②管線鋪設過程中減少管線傾角，減少管線底部受力負荷。在管線鋪設過程中盡量避開陡峭山坡和減少彎頭的數量；③改善管線內部流動介質，較少電化學腐蝕。

3 結語

現場應用中高壓注水管線的磨損常導致管線破損影響注水。所以改善管線受力情況尤為重要，這就要求圍繞磨損原理針對不同的磨損形式具體分析，采取針對性措施。這樣才能更好地保證注水工作順利進行。

[1]劉家俊.材料磨損原理及其耐磨性,清華大學出版社,7-302-01288-1,TB302.3.

[2]袁興棟,郭曉斐,楊曉潔.金屬材料磨損原理,化學工業出版社.