泥浆泵缸套失效分析

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(天津工程职业技术学院，天津 300280)

引言

目前钻井泵的发展方向是高泵和大排量。缸套的耐磨性、耐蚀性和工艺性能的已成为关键指标。目前钻井泵缸套基本上是由碳钢外套与高铬铸铁内套组合的复合型双金属缸套，生产工艺过程复杂和生产效率较低，还极易因过盈配合不良致使内套抽筒或材料开裂报废。

钻井泵缸套非常容易损坏，但是在泥浆泵上有重要的作用。要想提高缸套的使用寿命，应该主要分析缸套的受力和失效形式。

本文论述了泥浆泵参数的确定方法，缸套实际工况分析，确定了强度计算方法和实例，现行缸套的工况及热处理工艺，通过对其失效形式的具体分析总结出介质对缸套材料的腐蚀作用是存在的,在泥浆介质中磨蚀与磨料相互作用加速了缸套的失效,在可能的酸碱性条件下,现行的缸套材料已经不适用.需要对其表面进行技术处理以提高其耐磨耐腐蚀性,提高使用寿命.

一、泥浆泵基本参数的确定及关键结构的受力分析

泥浆泵基本参数

泥浆泵设计过程中最重要的参数是泵压、排量、冲次、冲程长度和活塞杆推力。

(一)排量

钻井泵的排量取决于钻井工艺的要求，钻井工艺的最低要求是排量应满足最低返速值。是指保证岩屑能被携出地面的最低的钻井液自环形空间上返的速度。令上返速度为vt,则

式中Z0—钻井中并联工作的钻井泵台数。一般，在完井井段Z0=1，在开钻井段Z0=1～2；

Qr—单台泵的实际排量；

dh—井眼直径；

db—钻杆外径。

在我国，完井井段要求的最低返速为0.8m/s，开钻井段的最低返速为0.4～0.6m/s。钻井泵的最大排量应满足开钻井段的要求，而对应于完井井段泵压的排量应满足完井井段最低返速的要求。

(二)泵压

主要是选定一台钻井泵的最高排出压力，即这台泵的最高设计工作压力。他决定于：

1.钻井工艺的需要

目前钻井中一般使用的最高泵压为200X105Pa。最高的钻井地面压力为343X105Pa(350kgf/cm2)，目前因钻杆接头密封，泵的易损件等还不配套，不能实行，但应作为泵具有的储备能力。

2.液力端密封的耐压极限

一般产品最高为343X105Pa左右，从而按规定要求液力端的静水试验压力是2X343X105=686105Pa。

(三)冲次和冲程长度

在选取泵的冲次时，主要考虑泵的吸入性能和易损件的合理寿命。在配有灌注泵，吸入性能有保证的情况下，则主要考虑易损件的寿命。为使活塞和缸套有合理的寿命，必须限制泵的活塞速度uav。根据美国近几年的实践经验，只要三缸泵的uav限制在180ft/min=0.915m/s，即可保证所有易损件的合理寿命。uav的定义是：

据此，相对应几种常用冲程S的推荐持续工作冲次n0见表1：

表1 对应不同冲程长度的推荐冲次

泵的额定冲次是指对应于泵输入额定功率时的冲次，用na表示。通过数年的实践，将泵的实际工作冲次控制在上表中的n0值为好，在调低冲次的同时，应注意不能过分地加大冲程长度。双缸泵的冲程长度为16～20in，为了保持三缸泵体积小、重量轻的特点，三缸泵的冲程长度必须较双缸泵适当拉开距离。

(四)泵的额定功率

泵的性能参数的头两项为泵压和排量。泵压和排量的乘积为功率。由于功率数能综合地反应一台泵的能力大小，并能告诉使用者应为它配备多大的动力，故它往往成为选择泵时考虑的首要参数。泵的额定功率值即起这一作用。现公认的三缸泵额定功率N的计算式是：

式中 Qsa—在额定冲次na时对应于某一尺寸缸套的理论排量；

(五)额定活塞杆推力

从活塞杆推力数值可以看出传动端所承受的基本载荷，所以，也将活塞杆推力列为泵的基本参数之一。

由泵的活塞杆推力计算公式可知其最大值就是泵的额定活塞杆推力：

二、泥浆泵缸套的实际工况及强度校核

(一) 缸套实际工况分析

钻井泵是油气田开发的重要设备之一， 它被称为石油钻机的心脏。由于钻并工艺的需要，泥浆本身具有一定的酸碱度，泥浆性能复杂。近年来油田在用的钻井泵缸套基本上是由碳钢外套与高铬铸铁内套组合的复合型双金属缸套，其生产工艺过程为：首先用离心铸造方式分别获得碳钢外套和高铬铸铁内套，然后经热处理后分别进行内、外套的机械加工，随后再将外套加热与内套进行镶装，最后进行整体加工和研磨。缸套是泥浆泵的关键易损件，工作介质大多数为磨砺性高的固相颗粒如(Al2O3,SiO2)，钻井泵缸套是在磨料磨损磨蚀磨损工况下工作的，工况条件恶劣，缸套工作压力很大，活塞和缸套的摩擦会产生温度,温度高达170℃,温度越高,对金属的影响就越大,因此他的工作状况决定了泥浆泵缸套工作环境的恶劣，并且泥浆是碱性物质,更容易对缸套造成腐蚀作用，含有的泥沙对缸套的磨损就更加严重,由于这些条件的限制,造成泥浆泵缸套的使用寿命≤600小时。

从中我们看到了它工作环境的恶劣,因此他是个容易损坏的部件.因此我们就要加大力度对他进行分析研究,以其提高其使用寿命。

(二)缸套强度校核实例

1. 假设条件

使用工况：工作压力34MPa

输入介质：钻井泥浆

选定液缸材质:35CrMo，σs=850 MPa

选定缸套材质为45，σs=355MPa

2. 缸套强度计算

材料强度(许用应力)计算公式:

根据压力容器许用应力规定:

当[σ]=σs/n(MPa)时，钢制零件n=2～3

式①

当[σ]=σb/n(MPa)时，钢制零件n=4

式②

其中： [σ]许用应力；

σs:屈服强度，

σb：抗拉强度

n:安全系数

实际使用中缸套承受内压，故应取公式1

[σ]=σs/n(MPa) ，n=3

则材料许用应力[σ]=σs/n=355/3=118.3(MPa )

缸套壁厚计算

缸套内径为Φ114.3mm～Φ177.8mm

缸套最小外径为Φ215.06mm

r1/r2=215.06/177.8=1.2<1.5按薄壁筒计算最小壁厚δ

δ——缸套厚度(m)

Py——试验压力(MPa)，工作压力P≤16 MPa时Py=1.5P；工作压力P≥16 MPa时Py=1.25P；

D ——缸套内径(m)

缸套内径为Φ177.8mm时，工作压力为19.2 MPa

Py=1.25P=24 MPa

设计δmin=(215.06-177.8)/2=18.63mm>18mm，故安全。

(三)现行缸套的工况及热处理工艺

图1 高铬铸铁缸套的热处理工艺

泥浆泵是石油天然气开采的重要设备，钻井泵缸套的工作条件主要是指其工作时的相对运动情况、工作泵压、含砂量和介质等，以及钻井液经过的地层情况和钻井液介质中所含磨粒的来源与性质。缸套是泥浆泵的关键易损件，在引进高铬铸铁作其内衬后，其寿命显著提高。石英显微硬度(Hv=900～1280)较高，对缸套寿命影响较大；方解石显微硬度(HV=140左右)较低，对缸套寿命影响较小。

钻井泵双金属缸套是以高铬铸铁和45号钢分别为内衬和外套的组台型缸套，缸套内衬浇铸后依次进行退火处理、机械加工、淬火和低温回火及磨削加工。其淬火回火热处理工艺见图1所示

(四)缸套磨损及主要原因

缸套的过早磨损主要原因在于内套材料的硬度普遍偏小(55-58HRC).根据API标准内套的硬度值应在60HRC左右.这是因为铬的含量比较少,铬对提高缸套的硬度是主要的原因,因此国外采用的是高铬铸铁材料牌号为KmTBCr2含铬量为26%-28%,经热处理后内套的硬度达到60HRC以上,平均寿命约为800H.缸套的金相组织均为在马氏体上分布着长条状的共晶碳化物，并且都弥散分布着颗粒状的二次碳化物和一些黑色组织。黑色组织包括珠光体、残余奥氏体、碳化物以及少量的马氏体，硬度比较低(HV=397-437)。

三、缸套磨损的主要形式

高铬铸铁缸套的马氏体基体磨损后造成碳化物凸出而失去部分支撑，在外力的作用下碳化物很容易断落和脱落。碳化物断落后基体失去保护而被快速磨损。当碳化物重新出现在工作表面使基体受到保护时便进入缓慢磨损阶段，然后由于基体磨损又造成碳化物凸出、断落与脱落而导致新的快速磨损。如此反复循环地使高铬镣铁缸套遭受磨损直至失效。因此，碳化物的断落与脱落是高铬铸铁缸套磨损失效的主要机制。基体的磨损主要是在磨粒的反复作用下微区产生了疲劳裂纹并向各个方向扩展，最终导致剥落而形成磨屑的过程。再根据起工作的环境可以总结出主要磨损形式有以下几种：

(一)冲蚀拉槽

冲蚀产生拉槽的主要原因是工作压力很大并且因为泥浆泵输送的是一种含泥沙的，高腐蚀介质，这种介质进入到活塞和缸套工作副之间的时候会使缸套受到很大的压力，这种大压力使这些介质对缸套进行磨损。进入活塞与缸套孔壁的硬砂粒被质软的活塞胶心包嵌与弹性挟持往复移动时，露出的锋利尖部在活塞胶心包容力和压胀力作用下反复刻划、刮擦、压碾和犁削缸套孔壁，拉成小道，随之就会产生冲蚀拉槽。基体磨损区的SEM像见图2。

图2 基体磨损区的SEM像

图3 磨科磨揖模型

(二)磨料磨损拉槽

当活塞与缸套间存在极小间隙时，会有硬砂粒进入此间隙．被质软而富有弹性的胶心包嵌，在弹性压胀力和包容力作用下以锋利的尖部在缸套孔壁反复犁划。当砂粒犁划出足够大的平行槽时．会有泥浆高压、高速刺出．导致强烈的三体硬粒磨损．使活塞缸套迅速失效胶心包嵌硬粒犁划缸套孔壁如图3所示。对一定硬度的磨粒，法向载荷越大．其摩擦表面硬度越小；磨粒越尖锐，则磨损率越大。基体磨损区的SEM像见图4。

图4 基体磨损区的SEM像

图5 基体磨损区的SEM像

由于基体磨损以后致使碳化物凸出而失去了部分支撑，而且碳化物既硬又脆，所以它在外力的作用下很容易发生折断、断落和脱落，造成磨料磨损拉槽。断落坑与脱落坑的区别就在于前者是发生在严重磨损表面，而且在它的周围有卷曲状的白边存在，而脱落坑则是多出现在碳化物与基体的共平面上。缸套表面由于碳化物的断落和脱落而发生急剧磨损，而在工作表面重新出现大量的碳化物之后则又进入缓慢磨损阶段，然后再随着基体磨损的加剧而又发生碳化物凸出并断落和脱落，如此周而复始地磨损工作表面。

(三)外径均匀磨损增大而丧失密封功能

活塞和缸套不仅是个是一对工作副，还是一对密封副，因此它们之间一定会摩擦，随之也就有磨损，活塞胶心橡胶MC聚酯尼龙圈与缸套孔壁的粘着磨损，并且活塞胶心，尼龙圈与缸套孔壁之间的硬砂粒嵌入其间时的磨损。还有由于往复交变应力的影响而造成的活塞胶心根部与眉部的疲劳磨损和缸套孔壁表面的疲劳磨损。这些都是可以使活塞和缸套间丧失密封性。由于还是反复的过程，因此磨损就越大。

(四)疲劳磨损

基体在磨粒的反复作用下产生裂纹并向各个方向扩展最终导致疲劳剥落这就是疲劳磨损。

疲劳剥落基体在磨料及外力作用下产生微裂纹，裂纹沿各方向扩展贯穿后即剥落，产生的主要原因是基体的磨损在磨料的多次作用下，使微观区产生疲劳微裂纹，当裂纹沿各方向扩展、贯通后剥落成磨屑。其它如微切削、犁削、塑变和腐蚀均占次要磨损过程。因而疲劳磨损是起最重要的磨损形式，我们改善其表面性能主要就的从这里入手。图5为金相磨损组织。

(五)气蚀磨损。

电化学腐蚀使组织的相界在珠光体区域出现腐蚀斑，而气蚀的主要原因还是因为泥浆泵的原因，它输送的泥浆中含有沙，水等一些混合物，因此容易发生电化学腐蚀很容易造成气蚀磨损。因为泥浆泵发生气蚀，所以就会对缸套造成影响而气蚀本质上是疲劳过程。气蚀起因于周期应力，最后导致气泡断。我们知道泥浆是碱性物质跟容易造成腐蚀，这种腐蚀使泥浆泵缸套产生坑道，引起失效。

四、结论

本文论述了泥浆泵参数的确定方法，缸套实际工况分析，确定了强度计算方法和实例，现行缸套的工况及热处理工艺，通过对其失效形式的具体分析总结出介质对缸套材料的腐蚀作用是存在的,在泥浆介质中磨蚀与磨料相互作用加速了缸套的失效,在可能的酸碱性条件下,现行的缸套材料已经不适用.需要对其表面进行技术处理以提高其耐磨耐腐蚀性,提高使用寿命.

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