学报天津职业学院NOVol. 8月16日 2014泥浆泵缸套失效分析 陈海峰，张景山（天津工程职业技术学院，天津） 本文介绍了泥浆泵设计过程中基本参数的确定，关键机构的受力分析，并分析了实际工作情况根据气缸套的条件和受力情况，气缸套失效的主要原因是泥浆腐蚀和磨粒磨损。 然后继续详细分析冲蚀槽的主要磨损失效模式； 磨料磨损槽； 由于外径均匀磨损而失去密封功能； 疲劳磨损和气蚀磨损。 并且由于现阶段主要油田普遍采用复合双金属缸套，针对该缸套热安装工艺复杂、生产效率低等问题，提出了表面强化技术，使其使用寿命更长。 进一步完善。 关键词； 力分析； 腐蚀和磨损； 双金属缸套； 表面强化技术专科学校，从事石油化工装备与安全技术教学与科研工作； 胡树辉（1971年，高级讲师，硕士，天津工程职业技术学院，从事数控技术研究，高级讲师，本科，天津工程职业技术学院，从事机械制造研究。介绍当前钻井泵的发展方向是高泵大排量。
缸套的耐磨性、耐腐蚀性和工艺性能成为关键指标。 前置钻井泵缸套基本上是由碳钢外套和高铬铸铁内套组成的复合双金属缸套。 或材料开裂报废。 钻井泵的缸套非常容易损坏，但在泥浆泵中却起着重要的作用。 为了提高缸套的使用寿命，主要应分析缸套的受力和失效模式。 论述了泥浆泵参数的确定方法，分析了缸套的实际工况，确定了强度计算方法和实例，目前缸套的工况和热处理工艺，总结了通过具体分析其失效模式，了解介质对缸套材料的影响。 腐蚀存在，泥浆介质中磨损与磨料的相互作用加速了缸套的失效。 在可能出现的酸碱条件下，目前的缸套材料已不再适用。 需要对其表面进行技术处理，以提高其耐磨性和耐腐蚀性，提高其使用寿命。 一、泥浆泵基本参数的确定及关键结构受力分析泥浆泵的基本参数泥浆泵设计过程中最重要的参数是泵的压力、排量、冲程次数、长度和活塞杆推力。 (1)排量钻井泵的排量取决于钻井工艺的要求。 钻井过程的最低要求是排量应满足最小返回速度值。 是指为保证岩屑能够带出地面，钻井液从环形空间返回的最低速度。 设向上返回速度为钻井中并联工作的钻井泵数量。 一般钻杆外径。 在我的国家。 8m/s，钻井段最小回流速度为0，排量应满足钻井段要求，而完井段泵压对应的排量应满足完井段最小回流速度要求.
主要是选择钻井泵的最高排放压力，即该泵的最高设计工作压力。 他决定这样做。 钻井技术要求 目前，钻井一般采用的最高泵压为（/cm）。 由于钻杆接头是密封的，泵的易损件不配套，故不能实施，但应作为泵的备用容量。 . 动力端密封的最大压力极限约为，故按规定液力端水压试验压力为，主要考虑泵的吸入性能和易损件的合理寿命。 配备充液泵时，吸入性能有限。 在保证的情况下，主要考虑易损件的寿命。 为了使活塞和缸套有一个合理的寿命，必须限制泵的活塞速度uav。 根据美国近年来的实践经验，只要将三缸泵无人机的航速限制在180ft/min.915m/s，就可以保证所有易损件的合理寿命。 无人机的定义是。 据此，推荐的几种常用行程S对应的连续工作行程n0见表1 不同行程长度对应的推荐行程 子行程S [mm(in)] 203 (8) 216 (81/2) 229(9) 254(10) 305(12) 356(14) 推荐连续冲程次数n0(min rated times nana表示。通过了几年的实践，泵的实际工作冲程控制在n0以上表.在减少行程的同时，应注意不要过分增加行程长度。气缸泵体积小，重量轻，三缸泵的行程长度必须与双缸泵的行程长度适当间隔.
(4)泵的额定功率 泵的性能参数前两项为泵压和排量。 泵压力和排量的乘积就是功率。 由于功率数字可以综合反映一台水泵的容量，告诉用户应该为它配备多大的功率，所以它往往成为选择水泵时考虑的首要参数。 泵的额定功率值起着这个作用。 目前公认的三缸泵额定功率N的计算公式是，一定规格缸套的理论排量对应于额定冲程次数na下同规格缸套的最高泵压。 此时水泵在满载或接近满载时的输入功率：Nb可取0.88。 94，则由上式得到的N，即由上式计算出的三缸泵的额定功率值，在相同的泵压和排量条件下，与该泵所需的输入功率值非常接近。 因此，钻井泵的额定功率可定义为泵在额定冲程工作时输入功率的标称值。 由于计算泵输入功率的方程中含有功率数据，矿井操作人员使用不便，故将该方程推广到计算任意泵压和理论排量下的泵输入功率，即： (5) rated活塞杆推力从活塞杆推力的大小可以看出传动端的基本载荷，所以活塞杆推力也被列为泵的基本参数之一。 由以上两式可得出活塞杆额定推力Fa19.08Sna。 2、泥浆 泵缸套实际工况及强度校核 缸套实际工况分析 钻井泵是油气田开发的重要设备之一，被称为石油钻机的心脏。
由于钻并井过程的需要，泥浆本身具有一定的pH值，性质复杂。 近年来，油田使用的钻井泵缸套基本上都是由碳钢外套和高铬铸铁内套组成的复合双金属缸套。 铬铸铁内套，然后分别对内套和外套进行热处理和机加工，然后将外套加热与内套镶嵌，最后进行整体加工和磨削。 缸套是泥浆泵的主要易损件。 工质多为磨蚀性强的固相颗粒（Al2O3、SiO2等）。 钻井泵缸套在磨粒磨损和磨粒磨损条件下工作。 缸套的工作压力很高石油泥浆泵缸套，活塞与缸套的摩擦会产生热量。 温度越高，对金属的影响越大。 因此，他的工况决定了泥浆泵缸套工作环境恶劣，泥浆呈碱性。 物质更容易对缸套造成腐蚀，而其中所含的砂粒会对缸套造成更严重的磨损。 由于这些条件的限制，泥浆泵缸套的使用寿命为600小时。 由此可见其工作环境恶劣，是一个容易损坏的部件。 因此，我们将加大力度对其进行分析研究，以提高其使用寿命。 (2)缸套强度校核实例。 假定工况：工作压力34MPa 输入介质：钻井泥浆 选用液缸材料： 选用缸套材料为45。计算缸套强度时材料强度（许用应力）计算公式/n（MPa），钢件n/n (MPa)、钢制件 制造件n 式中：[σ] 许用应力：安全系数 在实际使用中，缸套承受内部压力，故应采用公式1118.3(MPa)计算缸套壁厚。 直径为Φ215.06mm r1/r2215.06/177缸套厚度(m) Py试验压力(MPa)，工作压力.5P； 工作压力P 16MPa 缸套内径(m) 缸套内径为Φ177.8mm 24MPa 18mm δmin (215.06 18.63mm 18mm,安全。
(3)目前缸套的工作条件和热处理工艺 高铬铸铁缸套的热处理工艺 泥浆泵是石油和天然气开采的重要设备。 钻井泵缸套的工作条件主要是指相对运动和泥浆泵的关键易损件，采用高铬铸铁作为其内衬后，其使用寿命显着提高。 石英的显微硬度（Hv）对缸套寿命影响很大； 方解石的显微硬度（约HV 140）较低，对缸套寿命影响不大。 钻井泵双金属缸套由高铬铸铁和No.制成。缸套分别由内衬和外壳组成。 缸套内衬铸造后，经退火、机加工、淬火、低温回火、磨削。 其调质热处理工艺如图1所示（四）缸套磨损及主要原因。 气缸套过早磨损的主要原因是气缸套材料的硬度一般较小（55-58HRC）。 根据API标准，气密层的硬度值应在60HRC左右。 这是因为铬含量比较少 硬度是主要原因，所以国外使用的高铬铸铁材料是铬含量为26%～28%的。 热处理后内套硬度达到60HRC以上，平均寿命800H左右的金相组织为长共晶碳化物分布在马氏体上，散布有粒状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、碳化物和少量的马氏体 ，相对较低的硬度（HV 3。气缸套磨损的主要形式。高铬铸铁气缸套的马氏体基体磨损，导致碳化物突出并失去一部分。支撑，在外力作用下，碳化物容易折断脱落。
碳化物脱落后，基体失去保护并迅速磨损。 当碳化物重新出现在工作表面保护基体时，进入缓慢磨损阶段，随后碳化物因基体的磨损而凸出、折断、脱落，产生新的快速磨损。 如此反复循环，使高铬铁缸套磨损直至失效。 因此，碳化物的断裂和脱落是高铬铸铁缸套磨损失效的主要机理。 基体的磨损主要是由于微区在磨粒的反复作用下产生疲劳裂纹，向四面八方扩展，最终导致剥落，形成磨屑。 根据工作环境，可以总结出主要的磨损形式有以下几种： (1)冲蚀和槽槽冲蚀的主要原因是工作压力很高，因为泥浆泵输送的是一种泥沙，强腐蚀性介质，当这种介质进入活塞和缸套工作副之间时，缸套会承受很大的压力，这种高压会使这些介质磨损缸套。 当进入活塞和缸套孔壁的硬砂粒被软质活塞胶芯弹性嵌持并往复运动时，外露的尖锐尖端在活塞胶芯的作用下反复划痕、划伤和挤压包容力和压缩膨胀力。 磨削和犁缸套孔壁，拉成小轨道，会产生侵蚀基体磨损区的SEM图像。 有缝隙时，会有坚硬的沙粒进入缝隙。 嵌入柔软而富有弹性的橡胶芯中，在弹性压缩力和牵制力的作用下，尖锐的尖端在缸套孔壁上反复犁过。
当沙犁划出足够大的平行槽时。 会有高压、高速的泥浆喷出。 导致强烈的三体硬质颗粒磨损。 使活塞和缸套迅速失效。 如图所示，胶芯内嵌硬质颗粒犁缸套孔壁。 对于具有一定硬度的磨粒，法向载荷越大。 摩擦面硬度越小； 磨粒越锋利，磨损率越大。 基体磨损区的SEM图像如图4所示，由于基体磨损，碳化物突出，失去部分支撑，碳化物硬脆，易断裂、脱落、脱落在外力作用下，产生磨料磨损拉槽。 断坑与脱落坑的区别在于前者发生在磨损严重的表面，周围有卷曲的白色边缘，而脱落坑多出现在碳化物与基体共面的表面。 缸套表面因碳化物的破碎、脱落而快速磨损，大量碳化物重新出现在工作表面后，进入缓慢磨损阶段，随后随着基体磨损的加剧，碳化物凸出和塌陷. 破碎和脱落，周期在工作表面上磨损。 (3)外径均匀磨损增大，失去密封作用。 活塞和缸套既是一对工作副石油泥浆泵缸套，又是一对密封副，所以它们之间会有摩擦，就会有胶芯橡胶MC的磨损。 聚酯尼龙环与缸套孔壁的粘着磨损，以及活塞胶芯与尼龙环与缸套孔壁之间嵌有硬砂时的磨损。 由于往复交变应力的影响，还有活塞胶芯根部、眉部的疲劳磨损和气缸孔壁表面的疲劳磨损。
这些都会导致活塞和缸套之间失去密封。 既然还是一个迭代的过程，磨损就越大。 (4)疲劳磨损基体在磨粒的反复作用下产生裂纹，并向四面八方扩展，最终导致疲劳剥落，这就是疲劳磨损。 疲劳剥落基体在磨料和外力的作用下产生微裂纹，裂纹向四面八方延伸穿透而剥落。 在向各个方向膨胀和渗透后，它剥落成磨损碎片。 其他如微切削、犁耕、塑性变形和腐蚀都属于二次磨损过程。 因此，疲劳磨损是最主要的磨损形式，我们主要从这里着手改善其表面性能。 它是一种金相磨损结构。 (5)气蚀磨损。 电化学腐蚀使组织的相界在珠光体区出现腐蚀斑点，而产生气蚀的主要原因是泥浆泵送出的泥浆中含有一些砂水等混合物，易发生电化学腐蚀并产生气蚀很容易引起。 侵蚀磨损。 因为泥浆泵产生气体，会对缸套产生影响，气蚀本质上是一个疲劳过程。 空化是由循环应力引起的，最终导致气泡破裂。 我们知道，泥浆是一种碱性物质，很容易造成腐蚀。 这种腐蚀使泥浆泵缸套产生坑道而引起故障。 4 结语 本文论述了泥浆泵参数的确定方法、缸套实际工况的分析、强度计算方法的确定及实例、缸体目前的工况和热处理工艺liner，并通过具体分析其失效模式，总结出介质的影响。 缸套材料存在腐蚀作用，泥浆介质中磨损与磨料的相互作用加速了缸套的失效。 在可能出现的酸碱条件下，目前的缸套材料已经不适用了。 需要对其表面进行技术处理，以提高其耐磨性和耐腐蚀性，提高其使用寿命。 北京：高等教育出版社，1989．机械设计课程指导[M]． 北京：高等教育出版社，1990．机械设计[M]． 北京：高等教育出版社，2000。北京：高等教育出版社，2001。表面工程[M]． 北京：机械工业出版社，2000 [6]刘洪文． 材料力学[M]． 北京：高等教育出版社，2004．机械设计[M]． 北京：高等教育出版社，1997年[8]关于二等离子体的微观结构和性能的研究，喷涂了纳米结构化涂层[J]。 ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ，Ｔｉａｎｊ ，３００２８０）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｍｕｄｐｕｍｐ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ ｋｅｙｐａｒｔｓ ，ａｎａｌｙｚｅｓ ａｃｔｕａｌｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｍａｋｅｓｃｌｅａｒ ｍａｉｎｒｅａｓｏｎ ｃｏｒｒｏ‐ sion slot due . 并且由于现阶段，许多油田采用双金属柱体。 Ｓｏ ｐａｐｅｒｍａｋｅｓ ｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｅｒｔ ｌｏｗｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｌｉｆｅ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ：Ｍｕｄ ｐｕｍｐ ；Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｊａｃｋｅｔ Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ；Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｄｏｕｂｌｅｍｅｎｔａｌ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ；Ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （上接第３２ ＲｉｓｋＡｎａｌｙｓｉｓ ＳｈｉｐｐｉｎｇＮｉｃｋｅｌ ＬＡＮ Ｙａｎｇ （Ｔｉａｎｊ ＭａｒｉｔｉｍｅＣｏｌｌｅｇｅ ，Ｔｉａｎｊ ，３００３５０）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ， ｄｕ
