高硬度聚合物抽油杆接箍耐磨蚀性能试验研究

薛敏鹏，张少春，高宁，张慧源

（1.山东省天然气管道有限责任公司，济南 250000；2.中国石油大学机电工程学院，山东青岛 266580；3.中石化胜利油田胜利采油厂，山东东营 257061）

随着油田进入高含水开发期，油井工况更加苛刻，管杆偏磨问题愈发突出，导致油管漏失、抽油杆脱断现象不断增加。抽油杆接箍的形状不规则且外径尺寸较大，易与油管接触，所以偏磨问题的严重点都在接箍处。针对管杆偏磨现象，工程人员尝试采用扶正器、井口旋转器以及抽油杆防偏磨器等方法防止偏磨，但效果都很有限［1－2］。有人以管杆材料为研究对象，采用激光表面改性的方法，以提高管杆摩擦副的整体寿命［3］。

笔者在不改变抽油杆接箍材料的情况下，在普通抽油杆接箍外壁涂覆1层高硬度聚合物耐磨材料［4］，成功开发出一种新型接箍。为评价该接箍的现场应用价值，对其耐磨蚀性能进行测定。

1 试验设备和方案

1.1 试验设备

针对油管和接箍这种特殊的摩擦副，自行设计并制造了管杆磨蚀试验机，以进行定性的磨蚀试验研究。其工作原理如图1所示，动力由电机提供，通过减速器带动曲柄连杆机构转动，从而实现管杆的往复运动。油管和接箍试样的位置如图1所示，其中接箍试样采用正常的接箍，油管试样为劈开的油管，实际装置每次可同时进行2组对磨件试验。

图1 管杆磨蚀试验机

1.2 试验方案

磨蚀试验选择普通N80油管和内壁搪玻璃N80油管（如图2所示）分别与新型接箍对磨，以模拟抽油井管杆摩擦副，并与45钢接箍对比。接箍在油井下受到腐蚀和磨损的共同作用，为考虑腐蚀因素，选择3.5% NaCl溶液作为腐蚀介质。通过观察和分析不同摩擦副材料的磨损形貌和磨损率，研究它们的磨损情况，综合评价新型接箍的耐磨蚀性能。

图2 油管试样

在进行接箍和油管对磨前，用手砂轮除去油管和接箍表面的铁锈，丙酮擦拭除油，然后用无水乙醇擦拭，吹风机吹干，最后称重并记录。在试验周期内每24h清洗、吹干、称重1次，测量磨损失重。每组摩擦副做3次平行试验，试验结果取其平均值。试验结束后用数码相机对试件磨损后的表面形貌拍照记录。

磨蚀试验具体试验条件：工作介质为3.5%NaCl溶液；室温25℃；油管和接箍进行相对往复式运动；试验机的往复频率为30／min；每次冲程为100mm；试验机转速为600r／min；所加的侧向载荷为1000N；试验周期为120h。

1.3 磨蚀率计算

摩擦行程L为

式中：n为试验机的冲次，min－1；S为试验机的冲程，mm；t为试验时间，min。

磨损量ΔW为

式中：W1为磨损前试件质量，g；W2为磨损后的试件质量，g。

磨蚀率Kw（g· min－1· m－1）为

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

管杆磨蚀试验的磨蚀率结果如表1所示，其中1号 和2号、3号和4号分别是不同的2组试验周期，具体材料如表1所示。为了比较直观地分析，把磨蚀失重率制成直方图的形式，如图3所示。图3中代码对应表1中相应试验号。

表1 不同摩擦副材料的磨蚀率 （10－5 g· min－1· m－1）

由表1和图3可以看出：

1）由1、2两组试验结果可看出：与普通N80油管对磨时，新型接箍的磨蚀率约为45钢接箍的1／3，即耐磨性为45钢接箍的3倍；普通N80油管与新型接箍对磨时，N80油管的磨蚀率都有所降低，说明新型接箍能减轻对磨件的磨损。

2）由1、3两组试验结果可看出：新型接箍与内壁搪玻璃N80油管对磨时，新型接箍磨蚀率急剧增加到原来的2倍，说明该新型接箍不适合与搪玻璃材料组成摩擦副。

3）由2、4两组试验结果可看出：45钢接箍与内壁搪玻璃N80油管对磨时，磨蚀率有一定的减小，说明45钢更适合与搪玻璃材料组成摩擦副。

4）综合以上结论可知：新型接箍与金属材料（45钢）、金属材料（45钢）与搪玻璃材料等异质对磨时，接箍和油管的耐磨性都较好。新型接箍和搪玻璃油管等性质相似的材料对磨时，接箍和油管的耐磨性都较差。

图3 油管与接箍磨擦副磨蚀率

2.2 与普通N80油管对磨

接箍的磨损失重曲线如图4所示，可以看出：相同的时间内新型接箍的磨损量远小于45钢接箍，且新型接箍的磨损量是平稳递增的，磨蚀率随时间有略微减小的趋势。45钢接箍磨蚀量约为新型接箍的3倍，摩擦曲线的斜率即磨损率很大且不稳定，在一定时间内磨损量很大。

与不同接箍对磨的普通N80油管的磨损失重曲线如图5所示。新型接箍对磨油管的磨损失重较45钢接箍对磨油管有一定减小，说明该新型接箍的材料不仅本身耐磨，而且对对磨油管的伤害较小，能减轻对磨副材料的磨损，有一定的减摩作用。另外，新型接箍对磨油管的磨蚀率较小，且呈减小的趋势。

2种接箍磨损后的宏观形貌如图6所示。由图6a可看出：45钢接箍除常规的磨损外，还受到了严重的腐蚀，集中体现在接箍上有严重的锈蚀痕迹；由图6b可以看出：新型接箍表面光滑，没有明显的摩擦痕迹和腐蚀现象。

图4 接箍磨损失重曲线

图6 接箍磨损后宏观形貌

接箍磨痕磨损形貌如图7所示。磨损5d后45钢接箍表面有很多相互平行的粗深的梨沟。另外，考虑到盐水环境，磨损产生梨沟，梨沟凸峰和凹谷的存在造成了电势差，会加速电化学腐蚀的作用。腐蚀作用使金属表面形成一定的“疏松层”，磨损过程中这一层更容易脱落，也加速磨损的作用。即腐蚀和磨损相互促进，共同造成了接箍的失效。新型接箍表面涂覆了1层耐蚀性较好的材料，耐蚀性更好。可以认为新型接箍的失效是单一的磨损作用下的失效，其失效速率也较慢。

图7 接箍磨痕磨损形貌

综合以上分析可知：与普通N80油管对磨时，新型接箍的耐磨性约为45钢接箍的3倍；同时，新型接箍涂覆的材料能减小对磨材料磨损，对油管有一定的保护作用。

2.3 与搪玻璃N80油管对磨

新型接箍与不同材料油管对磨磨损失重曲线如图8所示，可以看出：该接箍与搪玻璃油管对磨时，磨损失重是与普通N80油管对磨时的2倍，耐磨性不佳；另外，此时的磨蚀率也很大，说明该新型接箍不适合与搪玻璃材料组成对磨副。

45钢接箍与不同材料油管对磨的磨损失重曲线如图9所示，可以看出：45钢接箍与搪玻璃N80油管对磨时，磨损量和磨蚀率都稍小，耐磨性略好。

经过以上分析可知，该新型接箍不适合与搪玻璃油管对磨。再结合图9的结论可推断：该新型接箍适合与金属材料组成对磨副，不适合与搪玻璃、聚合物等材料组成对磨副。

图8 不同条件下新型接箍的磨损失重曲线

图9 不同条件下45钢接箍的磨损失重曲线

3 结论

1）与普通N80油管对磨时，新型接箍的耐磨性约为45钢接箍的3倍，且该新型接箍能减轻对磨油管的磨损，对油管有一定的保护作用；与内壁搪玻璃N80油管对磨时，新型油管的耐磨性仅比45钢接箍略好，无明显优势。

2）该新型接箍由于表面涂覆1层聚合物性质的材料，适合与金属材料组成对磨副，不适合与搪玻璃、聚合物等材料组成对磨副。

3）根据试验结果和分析，建议将该接箍使用在与普通金属油管对磨的工况，尤其适合腐蚀较严重的条件。

［1］孟祥海，孙军，钱秀丽.抽油杆住综合防偏磨技术［J］.石油钻采工艺，2003，25（6）：37－40.

［2］刘峰.复合抽油杆悬绳装置的研制［J］.石油机械，2005，33（7）：61－62.

［3］张光明，王勇，韩彬，等.激光表面改性油管与接箍磨损配合研究［J］.润滑与密封，2010，35（4）：85－89.

［4］魏斌.碳锆复合树脂内涂层油管技术研究［J］.石油机械，2009，37（3）：8－15.