海洋鉆井泥漿泵冷缸失效分析及技術探討

鄧展

摘 要：泥漿泵冷缸作為泥漿泵液力端的主要組成部件之一，冷缸的失效直接導致泥漿泵無法正常工作，不僅使鉆井作業(yè)被迫停工，給工程造成巨大的麻煩和損失，而且對鉆井人員形成巨大的安全隱患。本文從泥漿泵冷缸應力腐蝕開裂的三方面因素，從材料熱處理、介質(zhì)凈化、冷缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提出避免或減少冷缸發(fā)生應力腐蝕開裂的建議。

關鍵詞：鉆井泥漿泵；冷缸；研究現(xiàn)狀；技術理論；失效分析

一、鉆井泥漿泵的發(fā)展概述及失效研究

早期的典型泥漿泵是雙缸雙作用泵，但是這種結(jié)構(gòu)的泥漿泵流量和壓力波動大、傳動效率低、重量重、體積大，不能滿足惡劣的鉆井工作環(huán)境，特別是海洋鉆井平臺的需要。但是鉆井泥漿泵的失效問題卻從未終止，很多鉆井泥漿泵在使用壽命內(nèi)失效。主要影響因素是溫度過高，散熱不好，引起密封圈老化，密封材料喪失性能，其次是鉆井液等顆粒的進入，對密封面進行不斷的磨損，導致密封圈損壞，建議從密封圈的材料、結(jié)構(gòu)設計、組合數(shù)量以及冷卻裝置等方面進行技術改進來提高高壓鉆井泥漿泵柱塞密封的性能和使用壽命。

二、失效分析理論及技術

失效分析是對金屬構(gòu)件在特定工作環(huán)境下發(fā)生意外的一個認知過程，涉及到很多領域，借助多學科交叉分析，找出失效原因，不僅可以防止同樣的失效再發(fā)生，而且能更進一步完善裝備構(gòu)件的功能，并促使與之相關的各項工作的改進。

失效分析的主要理論可分為三大方面：

1、失效機理理論

失效機理理論是揭示各類失效形式的形成過程以及相應的物理、化學本質(zhì)，研究溫度載荷、應力載荷和環(huán)境介質(zhì)等外部因素對金屬構(gòu)件和設備失效過程所產(chǎn)生的作用。常見的失效機理理論有：變形失效機制、斷裂失效機制、磨損破壞失效機制、疲勞失效機制、腐蝕失效機制、復合損傷失效機制。

2、失效力學理論

失效力學理論主要包含斷裂力學、最大正應力理論、最大剪應力理論、莫爾失效理論、畸變能理論、最大應變能理論、最大正應變理論等。

3、失效形貌理論

形貌分析通常分為宏觀分析和微觀分析兩種形式，宏觀分析一般作為初步判定，微觀分析則是對宏觀分析結(jié)果作進一步補充和確認。常見的失效形貌理論有：解理花樣形貌理論、準解理花樣形貌理論、河流花樣形貌理論、韌窩花樣形貌理論、穿晶斷裂形貌理論、沿晶斷裂形貌理論、河流花樣形貌理論、疲勞弧線形貌理論等。

三、失效分析領域應用的技術手段

近年來在疲勞失效定性研究的基礎上，疲勞失效定量研究也得到了較大的發(fā)展。目前在失效分析領域應用的技術手段主要包括：斷口分析、化學成分分析、金相檢驗、力學性能試驗、計算機輔助技術、失效評估技術、無損檢測技術等。

1、失效斷口形貌分析

斷口是金屬構(gòu)件材料在日常使用過程中發(fā)生斷裂后形成的可以相互匹配的表面形貌特征的統(tǒng)稱。斷口形貌如實的記錄了金屬構(gòu)件斷裂前所受實際的外在載荷及工作環(huán)境作用產(chǎn)生的微觀形貌特征，通過斷口形貌分析，可以解讀出裂紋從起源到最終瞬斷過程的全部信息，對金屬構(gòu)件斷裂失效的準確分析起著重要作用。斷口是斷裂失效的主要殘骸和物證，是斷裂失效診斷的主要依據(jù)，是破譯斷裂失效原因的“密鑰”。斷口分析在金屬構(gòu)件失效分析中具有重要性、全息性、唯一性、信息可分析性、分析適用性等特點。

2、化學成分分析

材料的化學成分是決定其性能的主要因素。在失效分析過程中，常常采用定性或定量的檢測方法對失效金屬構(gòu)件的元素組成、氧化物、夾雜物、腐蝕物、第二相等進行化學成分檢測分析，將化學成分檢測分析結(jié)果和材料標準化學成分組成與含量對比，可以判斷材料化學組成是否達標，有害元素含量是否超標等。

3、力學性能試驗

力學性能是指材料在外力作用下或者外力與環(huán)境共同作用下所表現(xiàn)的行為，宏觀上主要表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。常見力學性能試驗包括：沖擊試驗、拉伸試驗、硬度試驗、壓縮試驗、磨損試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、斷裂試驗、疲勞試驗等。通過這些試驗可以測試材料的強度、韌性、塑性、耐磨性和缺口敏感性等力學性能是否滿足標準。力學性能測試的方法均已標準化，按照國家標準規(guī)范執(zhí)行。

4、失效評估技術

失效評估技術是一中多領域的失效分析技術，其內(nèi)容囊括了材料科學、無損檢測、力學、可靠性工程與評價、風險分析等。失效評估技術在平衡產(chǎn)品的經(jīng)濟效益、使用性能和維修性能三者關系的基礎上，在特定的工作環(huán)境下，盡可能長的設計壽命內(nèi)，進行產(chǎn)品系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能、缺陷或危險程度的安全性評估，將產(chǎn)品失效的概率降到最低。

5、無損探傷檢測技術

無損探傷檢測技術是一種在不破壞金屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)、物理、化學特性，保持其完整性的情況下，檢測其表面及內(nèi)部損傷情況的技術，也稱為非破壞性探傷檢測技術。無損探傷檢測具有非破壞性、全面性、全程性、可靠性等顯著特點。常見的無損探傷檢測方法有X射線成相檢測、超聲波脈沖反射檢測、液體滲透顯相檢測和磁粉磁化檢測。其他的無損檢測方法有渦流檢測、熱像、紅外、聲反射檢測、交流場測量技術、漏磁檢測、遠場測試檢測方法等。在失效分析中，無損檢測可以準確判斷出被檢測對象是否存在缺陷或不均勻性，并能給出缺陷大小，位置，性質(zhì)和數(shù)量等信息。

四、總結(jié)

研究確定了鉆井泥漿泵的應力腐蝕開裂失效機理及其相關影響因素，但仍存在一些問題需要量化改善；泥漿溶液為冷缸腐蝕開裂失效提供了腐蝕環(huán)境，但未能確認出不同種類、不同濃度的離子對冷缸應力腐蝕開裂影響的大小，望在以后的實驗研究中，得到離子濃度-溫度-速率關系圖表；在對冷缸母材切樣破壞之前，應對冷缸流道補焊處進行殘余應力測試，以便對流道殘余應力有限元模擬計算進行驗證；同時優(yōu)化冷缸鍛造后的熱處理工藝，控制好調(diào)制處理的溫度和時間，適當降低冷缸材料的抗拉強度和屈強比，提高冷缸材料的塑性和韌性；適當降低泥漿泵冷缸材料的含碳量，降低鋼材的含碳量一方面可以降低材料的屈服強度和抗拉強度，增加材料的韌性和塑性，另一方面降低了鋼材發(fā)生晶間腐蝕的傾向。定期對泥漿泵冷缸進行超聲波等無損探傷，盡早發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，避免事故的發(fā)生。

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（作者單位：中海油田服務股份有限公司油田

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