试分析提高泥浆泵缸套的耐磨性的措施

韩翔

摘 要：众所周知，作为石油钻机中重要配套设备的泥浆泵，其缸套是它的核心组成部件，具有不可替代的强大功能。但缸套内表面在缸套内活塞往复运动与泥浆直接接触时，极易被泥浆中包含的碱钻液和微小固体颗粒说磨损腐蚀。并且严重时，还会导致吸排泥浆功能失效和泄露泥浆的现象，从而造成缸套无法继续使用。故缸套属于一次性易损且无法回收的零部件，其寿命长短将对钻井成本造成重大的影响。

关键词：泥浆泵缸套 耐磨性 提高措施

中图分类号：TH38 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0086-02

作为旋转钻井泥浆循环系统最关键的设备，泥浆泵常被人们称之为钻机心脏。但在泥浆泵实际作业的过程中，由于输送的泥浆黏度较大、压力较高、砂石含量较多，并且其腐蚀性较强，容易导致缸套磨损失效的现象，所以材料是否选用合理，工艺安排是否合理，对缸套使用寿命延长的意义非凡，该文主要针对缸套磨损失效等问题，指出有效提高缸套耐磨性的措施。

1 分析泥浆泵基本参数和关键结构受力

1.1 泥浆泵排量参数确定

通常钻井工艺要求直接确定了泥浆泵排量，排量最低返速值即钻井工艺的最低要求。主要是指将岩屑被携带出地面时保证最低钻井液自环形空间上返的速度。促使上返速度达到Vt，即：其中，表示并联在钻井中工作的钻井泵台数为Z0，通常Z0在完井井段则为1，而在开钻井段则为1～2；表示实际单台泵排量的为QR；表示井眼直径和钻杆外径的分别是dh和db。

一般而言，我国对完井井段和开钻井段的最低返诉分别为 0.8 m/s和0.4～0.6 m/s。钻井泵最大排量必须和开钻井段要求一致，完井井段泵压排量必须与完井井段最低返速要求一致。

1.2 钻井泵的泵压确定

一台钻井泵选定最高排除压力，即设计的最高工作压力，取决于钻井工艺需要和液力端密封耐压极限。当前钻井中使用的最高泵压一般为200×105 Pa，钻井地面最高压力为343×105 Pa（350 kgf/cm2），不过由于钻杆接头密封，泵易损件等配套不足，无法实行，其可作为泵的储备能力。而一般钻井泵的液力端密封耐压极限最高可达343×105 Pa左右，因此其实验压力为2×343×105=686105 Pa。

1.3 钻井泵的冲次和冲程长度确定

钻井泵冲次选取时，要合理考虑钻井泵易损件和吸入性能的寿命。而灌注泵在有配置且吸入性能得以保证的条件下，易损件的寿命是主要考虑因素。为保证缸套和活塞的寿命合理，钻井泵活塞运动速度必须限制为Uav。经实践证明限制三缸泵Uav在180 ft/min=0.915 m/s时，所有易损件的寿命都能得以合理保证。经实践证明限制双缸泵的Uav为180 ft/min=0.915 m/s时，所有易损件的寿命都能得以合理保证。Uav定义为Uav。

1.4 泥浆泵活塞杆推力的确定

根据活塞杆推力数值可以确定传动端的基本承受荷载，因此，钻井泵设计的基本参数之一包括活塞杆推力。通过公式Fa= 1.06pdA和，计算出额定活塞杆推力为。

1.5 钻井泵额定功率的确定

钻井泵性能参数中泵压和排量是最重要的两项，其乘积为功率。而一台钻井泵能力的大小体现在功率数上，且功率数也是其配备动力的关键，所以在选择泵时功率数往往是首要考虑参数。实际上泵额定功率作用就在于此。当前双缸泵的公认额定功率N的计算公式为：。其中尺寸一致的缸套最高泵压以pd表示，额定冲次时与某一尺寸缸套与之相对应的理论排量以Qsa表示。同时泵的输入功率为：。两式相除得出最终功率为：。当泵接近满负荷或满负荷工作时，η值可取0.88；因缸径和泵压的差异ηv也会产生变化一般ηv=0.96或0.92.若取平均值0.94，公式计算则N=1.04Nb。也就是三缸泵额定功率值在泵压、排量一致的条件下，可接近泵要求的输入功率值。由此，泵工作于额定冲次时的输入功率即为钻井泵额定功率。但介于该式中含有功率数据，不便于矿场操作者，所以将其推广应用于任意泵压和理论排量时的泵输入功率计算，即。

2 磨损机理及其分类

2.1 泥浆泵缸套磨损分类

通常泥浆泵缸套按其磨损机理可分为：磨粒磨损、腐蚀磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损和微动磨损。而磨粒磨损和粘着磨损是石油钻井缸套磨损中常见的两大类磨损现象。

泥浆泵实质上的作业内容就是输送泥浆。而水和细小沙石颗粒是泥浆的主要组成部分。因此对液体中颗粒和磨损关系的探讨十分必要。若摩擦表面嵌入硬颗粒，将在两个相互磨损的表面起到切削作用，同时在切削过程中还会产生更多硬颗粒，从而出现磨粒磨损的现象。通常颗粒数目、硬度与磨粒磨损的重要程度是呈正比状态。另外，当硬颗粒在摩擦面间的摩擦过程被不断的碾压、划挤时，还会导致表面原子错位和局部塑性变形，造成表面疲劳磨损的情况。

同时，在碾压、划挤作用下，硬颗粒还将导致表面被挤出高垄。并且在日后的磨损过程中这些高垄还将引起金属直接接触摩擦面，最终发展为粘着磨损。

2.2 泥浆泵缸套受液体中颗粒破坏的形式

由于泥浆泵流动系统为含固体颗粒的两相流系统，其作业内容直接决定着泥浆泵的所有过流部件主要受损破坏为流体磨粒磨损。因此破坏形式的划分根据流体中颗粒接触过流部件工作面的方式，可被具体分为三种形式：小角度剥蚀、研磨损坏、高角度冲击磨损。

在泥浆泵机上最容易受到磨损的部件之一便是泥浆泵缸套。对于泥浆泵缸套质量性能而言，抗腐蚀及耐高压和磨损是其最突出的要求以及很高的配合尺寸精度。通常泥浆泵缸套的作业环境十分恶劣，包括：承受介质中酸碱度的腐蚀；十几到三十几兆帕压力；机械在高温高速下会受到介质中磨料的磨损。泥浆泵缸套在作业状态下，活塞的外表面与缸套的内表面间是沙粒满嵌，作为运动过程中磨料的沙粒，会引起缸套的磨粒磨损，一般HV600～10000是沙粒的硬度。磨损是缸套失效的主要原因，当达到0.2～ 0.3 mm的磨损时，就将引起泄露泥浆，降低泵压，出现缸套报废情况。

2.3 泥浆泵缸套磨损主要原因

泥浆泵被称之为石油钻机的心脏是油田开采的主要设备之一。介于钻井工艺实际需求泥浆本身性能复杂，具有相应的酸碱度。当前用于油田开采的泥浆泵多为高铬铸铁内套和碳钢外套复合型双金属缸套，缸套生产工艺流程为：首先利用离心铸造方法制出高铬铸铁内套和碳钢外套，对其热处理后分别进行机械加工，并再加热外套镶装内套，最后对连接为整体的缸套进行加工研磨。在泥浆泵作业时缸套是最关键的易损件，工作介质多为高磨砺性固相颗粒比如SiO2、Al2O3，泥浆泵缸套工况条件恶劣，通常是磨粒磨损的条件下作业，由于缸套工作压力过高，在与活塞摩擦时易产生高温进而影响到金属的硬度，加上泥浆其本身就是碱性物质，容易造成对缸套的腐蚀，导致更严重的缸套磨损情况。另外，泥浆泵缸套过早磨损绝大部分原因和内套材料硬度普遍小于55～58HRC也有关。在实际中内套硬度值按照API标准取值应该在60HRC左右。而小于这个数值多数是因为提高缸套硬度主要材料铬的含量较少，所以会导致泥浆泵缸套出现过早磨损现象。而国外采用的牌号为KmTBCr2含26%～28%铬量的高铬铸铁材料，在热处理后可促使内套硬度达到60HRC或以上，其使用寿命平均约800H。

3 泥浆泵缸套耐磨性提高途径及喷涂工艺

3.1 选择耐磨涂层的材料

耐磨涂层本身性能及其与基体材料载荷的施加方向和大小、化学和力学匹配性直接决定着耐磨涂层的选择要求，包括涂层耐磨性和涂层结合强度两方面要求。选择耐磨涂层材料时要与这几方面相吻合：①用于软支承的涂层，允许磨粒嵌入及变形来调整轴承表面；②用于硬支承的涂层，其工作条件为高载荷低速工况，通常可用在限制润滑部位、不重要的可嵌入性和自动调整性部位；③用于耐磨粒磨损的涂层，低于540℃使用温度时，涂层易受外来磨粒颗粒犁沟切削的作用，涂层硬度必须高于磨粒硬度，选取自熔合金加Ni/Al或Mo混合粉末的高铬不锈钢为涂层材料为佳；④用于耐硬面磨损的涂层，低于538℃使用温度时，由于较软面上的硬面滑动易产生磨损，即硬面突出部分导致软表面开槽产生与磨粒相同作用的碎屑造成磨损，针对这类情况可采用自熔合金、碳化钨或氧化物陶瓷、镍、铁、钻基喷涂材料、有色金属及某些难溶金属为涂层的材料。

综合以上要求与材料本身性能，喷涂材料最终采用钻基碳化钨为佳。而之所以选取这种材料，一是因为泥浆泵缸套工作环境恶劣，二是钻基碳化钨粘自溶性较好，三是能媲美真空下致密整体硬质合金的性能。

3.2 选择耐磨层喷涂方法

当前应用十分广泛的技术还要算热喷涂技术，根据涂层材料和工艺方法的不同选择，其可以制备相应的功能涂层比如导电绝缘、减耐磨、电磁屏蔽吸收、耐腐蚀抗高温氧化、远红外辐射等。所谓热喷技术主要是将喷涂材料通过热源加热到半熔化或熔化状态，借助一定的速度将其喷射沉积到已经接受过预处理基体表面而形成涂层的方法，并实现基体表面具有上述提到功能的目的。而诸如电弧喷涂、高速活性燃气喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、高速等离子喷涂等极为热喷涂技术，其特点优势各异。但不管是那种热喷涂技术工艺，喷涂过程中涂层形成的结构和原理基本相同。可供选择的热喷涂技术是多样化的，高速射流能保证硬质合金大密度的颗粒运量增大，能在基体表面产生撞击后形成紧密优质的耐磨涂层，因此该研究者认为选用超音速等离子喷涂即高速等离子喷涂技术效果最佳。

4 结语

综上所述，由于泥浆泵缸套属于易损且一次性部件，一旦磨损报废对于钻井成本影响极大。所以，通过分析泥浆泵关键结构受力和基本参数，即泵压、冲程长度、排量、活塞杆推力和冲次，探讨泥浆泵缸套磨损机理和分类，该文指出了泥浆泵缸套耐磨性提高的途径及喷涂工艺，包括如何选择耐磨涂层的材料以及喷涂方法。

参考文献

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