提升泥漿泵凡爾總成耐久度的方法分析

魏松

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

石油和天然氣鉆探設備用于在不同的環境中鉆探，以便于從碳氫化合物儲層中提取石油和天然氣。在旋轉鉆井中，鉆機通過其泥漿循環系統使用鉆井液來幫助鉆頭進入地層。鉆機的泥漿泵使鉆井液（泥漿）在高壓下沿鉆孔內的鉆柱向下循環，并沿環形空間（鉆井管狀系統和地面之間的空隙）向上返回。由于活塞的往復運動，鉆井液開始從泥漿泵的泵室及泵的吸入和排出管線中流出。為了確保定向的流體運動，泥漿泵配有凡爾，以交替中斷液缸與吸入和排出管線之間的連通。

凡爾是泥漿泵運行中的重要元件，它們的材質、結構和狀態在很大程度上影響泵的正常運行，是泥漿泵中最重要的易損件之一。沖蝕和腐蝕是影響凡爾壽命的最重要現象，這與鉆井液壓力和流量有關。壓力和流量越大，沖刷腐蝕過程越強。

凡爾總成有凡爾、凡爾座、凡爾彈簧和凡爾密封等4個主要部件，如圖1所示。

圖1 凡爾總成

侵蝕性磨損的出現受到技術條件的影響，例如用于制造凡爾部件的基底材料、用于凡爾組件表面的硬化方法、凡爾的結構形式及泥漿流動條件（如流速和壓力）。

1 泥漿泵凡爾的功能和結構特點

旋轉鉆井中使用的現代泥漿泵主要是三缸單作用活塞泵，流速高達3600 L/min，壓力高達50 MPa[1]。鉆井液具有在鉆井過程中從井壁收集碎屑并將其帶到地面的功能。對于泥漿泵，使用由螺旋彈簧加載并由彈性墊圈（橡膠或氨基甲酸乙酯）密封的凡爾，具有高等級加工的接觸面。完整的凡爾套件包括凡爾、凡爾座、凡爾彈簧、凡爾密封等主要部件。在圖2中，顯示了凡爾總成的截面。

圖2 凡爾總成截面

凡爾的主要結構特征是：凡爾具有對流體流向阻力小的中央導管；凡爾座通過擠壓錐面（金屬與金屬接觸）安裝在液壓體上；凡爾彈簧確保凡爾在操作過程中的穩定性。

高速和高壓且含有碎屑、沙子和鹽的鉆井液使得凡爾組件（尤其是凡爾密封和凡爾座）被侵蝕和腐蝕，從而降低了組件的壽命。凡爾磨損強度取決于通過凡爾和凡爾座之間空隙的鉆井液流速，也取決于凡爾與凡爾座接觸面的沖擊。

為了延長凡爾組件的壽命，必須考慮以下幾個問題：凡爾座由通過鍛造或精密鑄造獲得的合金鋼制成；凡爾座的接觸（磨損）表面通過感應法、滲碳或滲氮程序硬化，以獲得高達65 HRC（832 HV）的硬度；接觸表面的精確拋光，以達到粗糙度要求；凡爾密封由高質量橡膠或聚合物（聚氨酯）制成。

2 提高泥漿泵凡爾總成耐久度的方法

本文分析了增加泥漿泵凡爾耐久度的不同方法。凡爾組件壽命取決于兩個主要條件：1）技術條件，如凡爾的基礎材料、接觸面的硬化方法、凡爾的設計；2）關于鉆井液流速的流動條件。

泥漿泵凡爾和凡爾座的磨損類型[2]主要有：1）由于磨蝕性鉆井液的作用及泥漿泵在高工作壓力下運行，凡爾及其凡爾座上出現水平臺階；2）凡爾磨損導致凡爾座呈橢圓形；3）凡爾密封磨損導致凡爾和凡爾座過早磨損；4）不斷的銹蝕磨損導致微小的點蝕變成微小的凹坑，微小的凹坑不斷地聯合成片，達到肉眼可見的程度。

侵蝕性磨損破壞了凡爾組件部件，并且破壞了接觸面的完美密封。此類失效通常是由于泥漿中的沙礫、鐵屑等硬物引起的。這些硬物在長時間的泵送過程中會不斷侵蝕閥體及其內襯材料，直到閥失效。圖3顯示了受磨損影響的泥漿泵凡爾組件。

圖3 磨損的凡爾組件

2.1 泥漿泵凡爾設計

凡爾設計有三大類：1）全開凡爾。全開凡爾是一種優質凡爾，其特點是實心凡爾結構，適用于34.5～51.7 MPa范圍內的高鉆井壓力。凡爾座完全打開，便于維護操作。標準凡爾密封可現場更換，由橡膠或聚氨酯制成。標準凡爾彈簧由碳鋼制成。2）三腹板凡爾。三腹板凡爾是一種標準凡爾，是油田應用中最受歡迎的凡爾型。其結構為中心導向，在泥漿泵運行期間，凡爾由凡爾座腹板的中心支撐。凡爾嵌入件被設計成即使在泵不工作時也能完美地密封凡爾上方的鉆井液。標準密封可現場更換，彈簧為螺旋狀。3）四腹板凡爾。用于低壓和中壓鉆井作業。這種結構是中心導向的，凡爾座有4個腹板，負載應用類似于4個腹板的類型。凡爾密封用螺紋板固定，確保現場更換更容易。標準密封可由橡膠或聚氨酯（目前最常用）制成，標準彈簧由碳鋼制成[3]。

對于所有類型的凡爾，根據鉆井應用的不同，可以升級密封和彈簧。凡爾密封可由耐高溫聚氨酯或丁腈橡膠制成，可耐受100 ℃的鉆井泥漿溫度。標準聚氨酯凡爾密封的壽命最長為5 a，高質量密封的壽命最長為10 a。凡爾彈簧也有不銹鋼的，保質期更長。

標準的凡爾密封可現場更換，但是對于高壓鉆井條件，凡爾可以配備不可更換的黏合密封，以確保更好的密封和更高的耐磨性。圖4顯示了泥漿泵凡爾的不同設計。

圖4 凡爾組件的類型

2.2 凡爾本體和凡爾座基底材料

凡爾本體凡爾座通常由低合金、表面硬化鋼制成，且接觸面硬化。用于制造凡爾座的鋼應該在高硬度和高耐磨性之間保持平衡[4]。下面給出了幾個用于制作泥漿泵凡爾座材料的例子。

1）30CrNiMo8。其化學成分質量分數分別為：C為0.26% ～0.34% ，Si 為0.40% ，Mn 為0.30% ～0.80% ，P 為0.035%，S 為0.035%，Cr 為1.80%～2.20%，Mo 為0.30%～0.50%，Ni為1.80%～2.20%。該種調質鋼材料一般用于受載較大的零件，有較高的屈服強度、抗拉強度和疲勞強度，還有足夠的塑性和韌性。在樣件20 mm條件下，其抗拉強度σb在1250～1450 MPa之間，屈服強度σ0.2大于1050 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于40%，沖擊功Akv大于

30 J，硬度可達370～415 HB。

2）17MoNi35。其化學成分質量分數分別為：C為0.14%～0.20%，Si為0.20%～0.35%，Mn為0.30%～0.70%，P為0.025%，S為0.025%，Cr為0.25%，Mo為0.20%～0.30%，Ni為3.20%～3.80%。該合金結構鋼具有高強度、較高韌性，在樣件20 mm條件下，其抗拉強度σb大于1100 MPa，屈服強度σ0.2大于950 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于45%，沖擊功Akv大于30 J，硬度可達260～350 HB。

3）AISI 4340。其化學成分質量分數分別為：C為0.38%～0.43%，Si為0.20%～0.35%，Mn為0.60%～0.80%，P為0.040%，S 為0.040%，Cr 為0.70%～0.90%，Mo 為0.20%～0.30%，Ni為1.65%～2.00%。該種調質鋼有高的強度、韌度和優良的淬透性和抗過熱的穩定性，但白點敏感性高，有回火脆性。在樣件25 mm條件下，其抗拉強度σb大于980 MPa，屈服強度σs大于835 MPa，伸長率δ5大于12%，斷面收縮率ψ大于55%，沖擊功Akv大于78 J，硬度小于269 HB。

4）AISI 5120。其化學成分質量分數分別為：C為0.17%～0.22%，Si為0.15%～0.30%，Mn為0.70%～0.90%，P為0.035%，S為0.040%，Cr為0.70%～0.90%。該合金結構鋼具有高強度、較高韌性，經淬火后具有良好的綜合力學性能，切削加工性良好，但冷變形塑性低，焊接性差。在樣件20 mm條件下，其抗拉強度σb大于1000 MPa，屈服強度σ0.2大于800 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于40%，沖擊功Akv大于30 J，硬度可達269 HB。

5）20CrMnTi。其化學成分質量分數分別為：C為0.17%～0.23%，Si為0.17%～0.37%，Mn為0.80%～1.10%，P為0.030%，S 為0.030%，Cr 為1.00%～1.30%，Ti 為0.04%～0.10%。該鋼是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件。在樣件15 mm條件下，其抗拉強度σb大于1080 MPa，屈服強度σs大于835 MPa，伸長率δ5大于10%，斷面收縮率ψ大于45%，沖擊功Akv大于69 J，硬度小于217 HB。

2.3 用于提高凡爾座接觸面耐磨性的硬化方法

凡爾座的接觸面采用不同的方法硬化，具有不同的耐磨等級。凡爾座的一些硬化方法有滲碳/碳氮共滲、感應表面淬火、表面激光熔覆、高速火焰噴涂，不同制造商采用不同的硬化方法。

從不同凡爾的現場實際使用效果來看，不同的硬化方法得到的效果也不盡相同。

滲碳是一種鋼的熱處理工藝，可將外表面奧氏體轉變為馬氏體[5]。滲碳后，鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火，以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性，使工件能承受沖擊載荷。硬化層的厚度約為2.0～2.5 mm，硬度為52.5～57.0 HRC。

感應表面淬火是一種硬化方法，使零件在交變磁場中切割磁力線，在表面產生感應電流，又根據交流電的集膚效應，以渦流形式將零件表面快速加熱，然后急冷[6]。感應加熱淬火后零件表面的硬度高，心部保持較好的塑性和韌性，故沖擊韌性、疲勞強度和耐磨性等有很大的提高。所獲得的硬化層具有大約2 mm的受控深度和58 HRC的最高硬度，這是馬氏體結構所特有的。感應淬火方法提供了工件表面良好的耐磨性和基體材料足夠的硬度。

在惰性氣體環境中用激光熔覆是一種硬化方法[7]，涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化特性。沉積層（一層）的深度在3～5 mm之間變化。最高硬度范圍在55.2～59.0 HRC之間。

使用HVOF（高速火焰噴涂）方法的熱噴涂可用于在鋼上沉積耐磨層。該過程意味著將涂層粉末噴入氧氣和燃料的熱噴射混合物中。然后，材料以受控的方向以超音速向待涂覆的表面噴射。通常使用的粉末是碳化鎢（WC）、碳化鉻、氧化鋁。所得涂層具有高耐磨性和低孔隙率[8]。沉積層的厚度約為0.4 mm，研磨后約為0.2 mm。涂層的最高硬度在70～74 HRC之間。

在4種方法中，HVOF硬化法獲得的效果最佳，具有最高的硬度（74 HRC）和最低的層厚度（0.2 mm）。

2.4 凡爾密封材料

目前制造凡爾密封的材料一般為高性能橡膠或者聚氨酯類聚合物，隨著材料科技發展，可采用具有更優異的動態抗沖擊性和優異的準靜態力學性能的新型復合材料，如一種由聚氨酯彈性體和新型納米聚合物組成的復合材料。其中納米聚合物由硅烷偶聯劑改性的氧化鋁微球和功能化離子液體通過雙鍵聚合而成。據研究[9]表明，具有不同納米聚合物負載量（質量分數為0.5%～2.5%）的聚氨酯彈性體的綜合力學性能均有所提升，其中含1%納米聚合物的聚氨酯彈性體性能最好，其靜態壓縮下的壓縮屈服強度比純聚氨酯彈性體高約61.13%，動態沖擊的能量吸收也提高了約15.53%。而且形狀記憶效果非常好（形狀恢復率約為95%），微觀損傷程度相對較小。使用此種材料來制造凡爾密封，能有效提高其強度及耐磨性。

3 結語

凡爾是泥漿泵運行中的重要元件，其結構和工作狀態在很大程度上影響著泵的正常運行。根據不同的鉆井液壓力及流速使用合適結構設計的凡爾。凡爾本體和凡爾座材料的選用必須在硬度和接觸面耐磨度之間達到平衡。為了增加凡爾的耐磨性，其接觸面可采用不同的表面硬化工藝。凡爾密封方面采用聚氨酯彈性體和新型納米聚合物組成的復合材料，以提高其強度與耐磨度。在更換零件時成套更換凡爾總成各組件，可有效延長凡爾使用壽命，降低凡爾更換或維修的成本，縮短相關的停工時間。