滑動速度對鋁合金石油套管干摩擦性能的影響*

張 敏 靳曉偉 劉 君 楊海濱 梁玉林

(1.西部鉆探工程有限公司玉門鉆井分公司 2. 中國石油西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司3. 中國石油長慶油田第二采油廠 4. 川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

0 引 言

隨著能源需求的增加，油氣鉆井作業(yè)面臨著更加惡劣的環(huán)境。為克服非正常地層井壁遇水失穩(wěn)、保證井控安全、提高機械鉆速以及實現(xiàn)完全欠平衡鉆進，空氣鉆井技術(shù)應(yīng)運而生。但應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)時，由于缺乏鉆井液潤滑，所以鉆桿與套管之間面臨著更為嚴(yán)峻的干摩擦問題。

為滿足高溫高壓井、酸性油氣井以及超深井對套管材料性能的需要，7075鋁合金被用作套管材料[1]。在油氣鉆井高強度工作條件下，要求套管材料除了具有良好的力學(xué)性能以外，還應(yīng)該具備優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。近年來，不少學(xué)者針對不同條件下7075鋁合金的摩擦磨損行為進行了研究。LU J.等[2]通過球盤摩擦試驗研究了溫度對7075鋁合金摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)150 ℃以下犁耕是主要磨損機制，而300 ℃以上鋁合金表面主要磨損機制為黏著剝落。SHEN M.X.等[3]分別在油水環(huán)境中針對7075鋁合金開展了一系列微動磨損試驗，結(jié)果表明，在水環(huán)境中，7075鋁合金主要磨損機制為磨粒磨損、脫層和氧化磨損，而在油環(huán)境下以磨粒磨損為主。B.VENKATARAMAN等[4]利用銷盤摩擦試驗研究了7075鋁合金的機械混合層與摩擦學(xué)性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明，盡管機械混合層的存在會增大摩擦因數(shù)，但7075鋁合金磨損率大大降低。A.BARADESWARAN等[5]通過銷盤磨損試驗研究了干滑動條件下石墨顆粒對7075鋁合金的摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)石墨微粒的加入起到了固體潤滑劑的作用，7075鋁合金的摩擦學(xué)行為有了顯著的改善。沈明學(xué)等[6]通過扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動試驗，研究了接觸載荷對7075鋁合金扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動磨損行為的影響，結(jié)果表明:接觸載荷能夠明顯改變微動運行區(qū)域,隨著接觸載荷的增加,微動推遲進入混合區(qū)和滑移區(qū),且混合區(qū)逐漸擴大。黃偉九等[7]采用銷盤摩擦試驗機研究了時效處理對7075鋁合金摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：時效處理后樣品在輕微磨損時以磨粒磨損和氧化磨損為主，嚴(yán)重磨損時以黏著磨損和剝層磨損為主。綜上所述，7075鋁合金套管的摩擦學(xué)行為還沒有引起足夠重視，尤其是在干摩擦條件下。

鉆井作業(yè)中，因鉆桿與套管之間的接觸壓力難以確定，所以鉆桿轉(zhuǎn)速成為影響套管磨損的唯一可控因素。而關(guān)于滑動速度對鋁合金石油套管干摩擦學(xué)性能影響的相關(guān)研究還未見報道。因此，本文以7075鋁合金(T6)為研究對象，采用銷盤摩擦磨損試驗方法，系統(tǒng)地研究滑動速度對7075鋁合金摩擦磨損性能的影響，以期為鋁合金套管的防磨損方法研究提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗方法

以往的研究表明，實際鉆井過程中，鉆桿和套管的局部接觸可以近似地看成面接觸[2]。因此，采用UMT型摩擦試驗機開展盤銷式干摩擦試驗(見圖1)。

圖1 磨盤摩擦磨損試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test of grinding disc

磨盤采用7075鋁合金，銷釘采用40CrNiMo石油鉆桿材料。磨盤直徑70 mm，硬度150 HB，表面粗糙度0.68 μm；銷釘直徑6.3 mm，硬度260 HB，表面粗糙度0.62 μm。試驗環(huán)境空氣相對濕度45%，試驗介質(zhì)為空氣，摩擦半徑25 mm。試驗載荷50 N，初始溫度20 ℃。摩擦線速度分別為50、100、150、350和600 mm/s，摩擦路程512.6 m。

試驗前后，將試樣在超聲波清洗儀中用石油醚清洗5 min并干燥。不同試驗條件下每組試驗重復(fù)3次，用三維光學(xué)顯微鏡測量磨盤磨損體積并取其平均值，采用以下公式計算磨盤磨損率[8]：

(1)

式中：WR為磨盤磨損率，mm3/(N·m); ΔV為磨損體積，mm3；L為摩擦路程，m；F為載荷，N。

試驗結(jié)束后，采用三維光學(xué)顯微鏡測量磨盤磨損面三維形貌、磨痕深度和表面粗糙度；采用JSM-6610A型掃描電子顯微鏡測量磨損面表面形貌、截面形貌并分析磨損面元素組成。

2 試驗結(jié)果

2.1 磨損率與摩擦因數(shù)

圖2為不同滑動速度下磨盤磨損深度和磨損率的變化曲線。由圖2a可知：隨著滑動速度v的增加，磨盤磨損深度總體呈增加趨勢；在低滑動速度(50～150 mm/s)下，磨盤磨損深度低于5 μm，磨損深度隨速度的增加變化不明顯；隨著滑動速度繼續(xù)增加，磨盤磨損深度明顯增加，在滑動速度為600 mm/s時，磨損深度達到40 μm左右。由圖2b可知，磨損率隨滑動速度的增加而增加，在150 mm/s以后，磨損率上升趨勢明顯。

圖2 不同滑動速度下磨盤磨損深度和磨損率曲線Fig.2 The wear depth and wear rate of the grinding disc under different sliding speeds

圖3為不同滑動速度下摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化曲線。從圖3可以看出：在低滑動速度(50 mm/s)下，摩擦因數(shù)在0.8左右波動；隨著滑動速度增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢。不同滑動速度下平均摩擦因數(shù)和方差見表1。從表1可以看出，盡管平均摩擦因數(shù)隨滑動速度的增加而減小，但摩擦因數(shù)方差隨滑動速度的增加而增加，這表現(xiàn)為摩擦因數(shù)曲線波動增大(見圖3)。

表1 不同滑動速度下平均摩擦因數(shù)和方差Table 1 The average friction coefficient and variance table at different sliding speeds

磨損率和摩擦因數(shù)等摩擦學(xué)行為的變化與磨損表面特點以及磨損機制緊密相關(guān)，為分析圖2和圖3中磨損率和摩擦因數(shù)的變化規(guī)律及其原因，筆者針對不同滑動速度下磨盤表面形貌特點進行了研究。

圖3 不同滑動速度下摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化曲線Fig.3 Variation of friction factor with sliding distance under different sliding speeds

2.2 表面形貌

圖4為不同滑動速度下SEM形貌及其區(qū)域放大圖。由圖4可知，不同滑動速度下，磨盤表面呈現(xiàn)出不同的形貌。

圖4a中，在低滑動速度下，磨盤表面比較粗糙，密集的磨屑分布在磨損表面，顆粒狀、團狀和層狀磨屑在載荷的作用下堆疊在磨盤表面。這是因為在低滑動速度下，干摩擦產(chǎn)生的磨屑無法被及時帶出摩擦接觸面，在高載荷下磨屑一旦產(chǎn)生就在摩擦副之間不斷被擠壓、融合、粘接在磨盤表面。當(dāng)滑動速度增加到100 mm/s時，磨盤表面比滑動速度為50 mm/s更加平整，但仍然有磨屑堆積在磨盤表面，堆積的磨屑體積比圖4a中更小。這是由于隨著滑動速度的增加，產(chǎn)生的大體積磨屑能夠在離心力的作用下被帶出接觸面[9]，剩余的磨屑被擠壓進磨盤表面，仍然可以起到保護作用。在滑動速度為100 mm/s下銷釘磨盤表面真實接觸面積更大。因此，在此滑動速度下，磨盤磨損率無明顯變化，但摩擦因數(shù)減小至0.73左右。

圖4 不同滑動速度下SEM形貌及其區(qū)域放大圖Fig.4 SEM morphology and area magnified view at different sliding speeds

當(dāng)滑動速度增加到150 mm/s時，磨盤表面磨損形貌發(fā)生了較大變化。磨盤表面可以大致分為光滑區(qū)和分層區(qū)域，并且光滑區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)，這是一種典型的氧化磨損行為[10]。在局部放大區(qū)域圖中，僅有少量磨屑堆積在分層區(qū)域邊緣。此外，在光滑區(qū)域放大圖中可以看到波紋狀塑性流動痕跡。當(dāng)滑動速度為350 mm/s時，表面分層區(qū)域面積增大且變得粗糙多孔隙，光滑區(qū)域也出現(xiàn)了材料破碎以及進一步分層的現(xiàn)象。隨著滑動速度進一步增加到600 mm/s，分層區(qū)域成為表面主導(dǎo)形貌。分層區(qū)域表面同樣粗糙多孔，且出現(xiàn)了大裂紋。在光滑區(qū)域，可以觀察到表面存在材料黏著現(xiàn)象。

為進一步獲取磨損表面元素組成信息，對低、中、高滑動速度下磨損表面具有代表性的區(qū)域進行EDS分析。

2.3 EDS和XPS分析

圖5為不同滑動速度下磨損表面EDS分析結(jié)果。

圖5 不同滑動速度下表面EDS分析結(jié)果Fig.5 Surface EDS analysis results at different sliding speeds

由圖5可知，磨盤表面元素主要是氧和鋁，不同滑動速度下磨盤表面都存在氧化現(xiàn)象。這是因為在高載荷下，即使滑動速度不高，摩擦接觸面也能達到較高的溫度，促使合金材料發(fā)生氧化。在50 mm/s滑動速度下，點1層狀磨屑處含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.81%，而點2顆粒狀磨屑處含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.43%，遠高于點1。合金磨粒產(chǎn)生后，在接觸面被擠壓、運移、熔結(jié)，最終堆積在磨盤表面。在此過程中，顆粒狀磨粒與空氣接觸更充分，因此點2含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。在圖4c中，分層區(qū)點3的含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于光滑區(qū)點4。這可能是材料剝落后新鮮表皮氧化不充分所致。在600 mm/s滑動速度下，黏著區(qū)域含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到48.52%，盡管分層區(qū)含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然低于光滑區(qū)，但含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達到30.93%，高于點3。值得注意的是，隨著滑動速度的提高，不論是分層區(qū)域還是光滑區(qū)，含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在上升。圖6為不同滑動速度下磨損表面XPS分析結(jié)果。從圖6可以看出，隨著滑動速度的提高，鋁的氧化物峰面積相應(yīng)增大，即更多的鋁元素被氧化，這與EDS分析結(jié)果一致。

圖6 不同滑動速度下磨損表面XPS分析結(jié)果(分析區(qū)域0.4 mm2)Fig.6 XPS analysis results of worn surface under different sliding speeds (analysis area 0.4 mm2)

為進一步研究磨盤磨損面形貌特征，對不同速度下磨盤磨損中心1 mm區(qū)域三維形貌和局部截面形貌進行分析。

2.4 磨痕中心截面形貌

圖7為不同滑動速度下磨損截面形貌及三維形貌。從圖7可以看出，低滑動速度下，磨盤表面較為平整，而隨著速度的增大，磨盤表面分層區(qū)域面積增加，這與SEM 表面分析結(jié)果一致。隨著滑動速度增加，磨盤表面粗糙度逐漸降低，這也是摩擦因數(shù)隨滑動速度增加而降低的原因之一。在掃描電鏡二次模式下，磨盤截面形貌圖中白色區(qū)域為氧化物，黑色區(qū)域為鋁合金基體。在低滑動速度下，部分氧化物、基體和磨屑在載荷作用下擠壓糅合在一起，覆蓋在磨盤表面；在中滑動速度下，表面材料被大部分氧化，外表層覆蓋的黑色淺層是由磨損面剩余的小體積磨屑被壓實而成，在高載荷下氧化物內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋；在高滑動速度下，表面磨屑形成后，大顆粒和大體積磨屑被迅速甩出接觸面，小體積磨屑則被迅速軟化壓實在上表層，形成一層厚厚的膜。在摩擦過程中，這層膜不斷地在接觸面脫落、壓實。由于合金材料與氧化物層在材料性質(zhì)上具有較大差別，在高壓載荷和循環(huán)應(yīng)力下，二者結(jié)合不緊密，所以在截面形貌中可以看到二者接觸點存在大裂縫。

圖7 不同滑動速度下磨損截面形貌及三維形貌Fig.7 Wear section morphology and three-dimensional morphology at different sliding speeds

2.5 討論

以上試驗結(jié)果表明，滑動速度對鋁合金套管材料的摩擦學(xué)行為有重要影響。大量的研究表明，滑動速度的提高會造成局部接觸面溫度的升高，進而影響接觸面摩擦磨損行為。由摩擦造成粗糙峰的局部溫升可由下式計算[11]：

(2)

式中：μ為摩擦因數(shù),取表2中平均摩擦因數(shù)；p為所加載荷，N;a為對磨面粗糙峰實際接觸區(qū)的半徑，μm；k1為鋁合金7075導(dǎo)熱系數(shù)，k1=134 W/(m·K)；k2為40CrNiMo導(dǎo)熱系數(shù),k2=44 W/(m·K)。

圖8為接觸面溫度隨滑動速度的變化曲線。從圖8可以看出，隨著滑動速度從50 mm/s上升至600 mm/s，接觸面局部溫度逐漸升高，盡管溫升速率呈現(xiàn)下降趨勢，但由滑動速度上升引起的接觸面溫升仍然對磨損機制產(chǎn)生了重要影響。

圖8 接觸面溫度隨滑動速度的變化曲線Fig.8 The temperature of the contact surface varies with the sliding speed

在低滑動速度(50 mm/s)下，摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑不能被及時帶出接觸面，在反復(fù)的擠壓、糅合后壓實在銷釘和磨盤表面(見圖4a)。分散的部分氧化物(主要是Al2O3)嵌入到磨盤基體和表面磨屑中(見圖7a)。由于其具有較高的硬度[12]，所以能夠提高磨盤的耐磨性，避免基體受到嚴(yán)重的磨粒磨損，有效地降低了磨盤的磨損率，高硬度的氧化鋁顆粒也是造成剝落坑的原因。這種輕微氧化降低基體磨損率的行為被稱作輕微氧化磨損，其特點是磨損率低、摩擦因數(shù)波動小并且少量的摩擦氧化物就能夠避免基體嚴(yán)重磨損[10]。

隨著滑動速度上升至150 mm/s，接觸面之間的磨屑由于受到較大的離心力，幾乎全部被帶離接觸面(見圖4c)。隨著接觸面溫度升到280 K左右，磨盤表面含氧量上升(見圖5)并出現(xiàn)了典型的氧化磨損形貌特征：光滑區(qū)和分層區(qū)共存(見圖4c)。大面積光滑區(qū)域的出現(xiàn)減小了摩擦因數(shù)，而分層區(qū)域的出現(xiàn)卻提高了磨盤磨損率。這是因為隨著溫度的升高，磨盤表面出現(xiàn)了更多氧化鋁，在較高載荷作用下，由于氧化鋁的高脆性，一旦循環(huán)應(yīng)力大于氧化物臨界應(yīng)力，氧化物就會發(fā)生斷裂(見圖7b)，并由此引發(fā)分層。在此滑動速度下磨盤的磨損機制可以總結(jié)為氧化磨損，其特點是:對比輕微氧化磨損，摩擦氧化物更多、磨損率更高、摩擦因數(shù)波動更大[10]。

在高滑動速度600 mm/s下，分層區(qū)域面積顯著增大(見圖4e)，磨損率顯著增加。這是因為在高溫下磨盤表面氧化物含量顯著增加，但更多的氧化物并不意味著更好的保護作用[13]。氧化鋁與鋁合金基體由于擁有不同的導(dǎo)熱系數(shù)與強度，在摩擦過程中二者接觸區(qū)域更容易出現(xiàn)斷裂，這是圖4e和圖7c中裂紋出現(xiàn)的原因。此外，由于熱軟化效應(yīng)，磨盤基體硬度的降低將導(dǎo)致其失去支持氧化物的固有強度，進一步加劇氧化物的脫落，增大磨盤磨損率[14]。在此速度下的磨盤磨損率遠高于50～150 mm/s 速度下磨盤的磨損率，這由氧化物的快速形成和去除造成。在此速度下，盡管含氧量進一步上升，但由于磨損表面的分層和黏著特性，磨損機制有別于150 mm/s速度下的氧化磨損，可以總結(jié)為黏著-分層磨損。

摩擦因數(shù)的變化也與滑動速度緊密相關(guān)。在低滑動速度(50～150 mm/s)下,隨著滑動速度的增加，磨盤磨損面和對磨面磨屑減少，增大了摩擦副實際接觸面積，在相同的載荷下，摩擦因數(shù)減小；在中等滑動速度(150 mm/s)下，大面積光滑區(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致了摩擦因數(shù)繼續(xù)減小；在高滑動速度(350～600 mm/s)下，由于熱軟化效應(yīng)的加劇，表面出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，這是摩擦因數(shù)在高滑動速度下出現(xiàn)劇烈波動的原因[15]。此外，分層材料脫落后，在高溫高壓的作用下被碾壓糅合并在對磨面形成轉(zhuǎn)移膜，也能夠有效地減小摩擦因數(shù)[14]。隨著滑動速度的提高，接觸面溫升顯著提高，磨盤表面大粗糙凸起由于軟化更容易斷裂，造成表面粗糙度的降低(見圖7)，這也是摩擦因數(shù)隨著滑動速度增加而減小的原因之一。

3 結(jié) 論

(1)滑動速度對7075鋁合金干摩擦性能有重要影響。在滑動速度50～600 mm/s范圍內(nèi)，隨著滑動速度的增加，摩擦因數(shù)不斷減小，摩擦因數(shù)波動幅度不斷增大；磨損率隨滑動速度的增加先緩慢增加再顯著上升。

(2)在低滑動速度(50～100 mm/s)下，7075鋁合金主要磨損機制為輕微氧化磨損；在中等滑動速度(150 mm/s)下，主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p；當(dāng)滑動速度在350～600 mm/s之間時，主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶ?分層磨損。

(3)滑動速度的提高會引起接觸面溫升，造成鋁合金表面含氧量的升高和熱軟化效應(yīng)的加劇，進而改變磨損機制。在空氣鉆井過程中，為避免鋁合金套管嚴(yán)重磨損，應(yīng)將鉆桿轉(zhuǎn)動線速度控制在低于150 mm/s。