提高钻井泵陶瓷缸套使用寿命的研究_提高真空泵的使用寿命
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提高钻井泵陶瓷缸套使用寿命的研究
高如琴1，全建军2，白周喜2（1, 华北水利水电学院，河南 郑州, 450011；2河南省耕生高温材料有限公司, 河南 郑州，450001）
摘要：高压泥浆泵是油田钻井工作台的“心脏”，而缸套是泥浆泵的重要磨损部件。工程陶瓷以其高硬度、高耐磨性，耐腐蚀性、表面性能好等优点，在钻井泵缸套中已得到广泛应用。但目前陶瓷缸套的使用寿命相对较短，如何提高陶瓷缸套的使用寿命，已成为陶瓷缸套研究中亟待解决的问题。本研究通过对钻井泵缸套的分析，提出了长寿命陶瓷缸套的要求，从陶瓷材料的选择，力学性能及其微观结构等方面探讨了提高陶瓷缸套使用寿命的方法，为陶瓷缸套生产企业提供改善产品质量的依据和方法。关键词：陶瓷缸套；使用寿命；力学性能；微观结构
1.引言
在石油工业的生产中，高压泥浆泵是油田钻井工作台的“心脏”，负责将钻机的血液—“泥浆”输送到井下，完成物质和能量的传递，而缸套是泥浆泵的重要磨损部件。随着人类对全球油气资源的开采范围的不断扩大，油气钻探技术的发展，逐渐朝沙漠、荒原、深海延伸，深井、超深井不断出现，大量的金属缸套被频繁的更换以保证钻机高压和强磨损的要求，繁重的体力劳动、高昂的运输和存储费用等成为现实难题，对钻
[1]探设备的长使用寿命提出了更高的要求。如何才能提高缸套的使用寿命？人们在不断的研究、探索过程中，超强耐磨陶瓷缸套应运而生。
工程陶瓷材料以其优越的物理和加工性能成为耐磨部件制造的发展方向，为延长钻井泵缸套的使用寿命提供了可能。陶瓷缸套以其较高的抗压强度、很强的抗腐蚀能力和较长的耐磨寿命，经现场试用，陶瓷缸套比一般双金属缸套使用寿命有一定程度的提高。陶瓷缸套的使用，为减少停机维修更换缸套的次数，减少由于停产和维修造成的经济损失，延长活塞的使用寿命，节省金属中贵重金属资源（高铬铸铁含有相当数量的贵重金属铬、钼），并为降低钻井成本，提高生产效率创造了条件。但在目前油田钻井中，陶瓷缸套的使用寿命良莠不齐，有的陶瓷缸套使用寿命仅有300～400h，而国外有 作者简介：高如琴（1968～），女，博士，工程师，主要从事结构陶瓷及环保材料的研究。的可达上万小时，如何提高陶瓷缸套的使用
寿命，已成为陶瓷缸套研究中亟待解决的问题。本文通过对钻井泵缸套的分析，提出了长寿命陶瓷缸套的要求，从陶瓷材料的选择，力学性能及其微观结构等方面探讨了提高陶瓷缸套使用寿命的方法，为陶瓷缸套生产企业提供改善产品质量的依据和方法。
2.钻井泵缸套的要求
2.1 钻井泵缸套失效分析
钻井泵工作时，钻井液(泥浆)即通过其活塞在缸套中的往复运动而输送至井底，完成冷却钻头、冲洗井底、喷射钻井等功能后，又靠其自身一定粘度、比重和活塞在缸套中往复运动造成的压力带着钻井岩屑和地层中的各种杂质返回地面。由于钻井工艺的需要，一般钻井泵泵压17~35MPa, 活塞冲次100~120次/min, 摩擦温升70~170℃, pH为7～12, 泥浆含砂量3~5%。特别是现代泥浆
泵发展到大功率、大排量、高压力后，其受到介质中酸碱度腐蚀和介质中磨料在高压高速下的机械磨损非常严重。在工作状态下，缸套内表面与活塞外表面之间嵌满砂粒，在运动过程中砂粒作为磨料，使缸套产生磨粒磨损,当磨损量达0.2～0.3 mm时，造成泥浆泄漏，泵压下降，导致缸套损毁。
陶瓷缸套的失效机理主要是：高压下,丁晴橡胶活塞在缸套内往复运动，使缸套存在疲劳磨损；泥浆中含有80～200目高硬度的砂粒，使缸套存在磨粒磨损；泥浆为碱性流体，存在腐蚀磨损。陶瓷缸套的失效是三种磨损共同作用的结果，在初始阶段，表面磨损主要是疲劳磨损，然后为磨粒磨损，后期由于缸套内部不可避免地存在疏松、孔洞、夹杂物等缺陷，以及疲劳磨损、驰粒磨损造成的裂纹共同加速了腐蚀作用，造成泥浆泄漏，泵压下降，导致缸套失效。2.2 长寿命钻井泵缸套的要求
泥浆泵是石油钻机中的配套设备，缸套是泥浆泵的核心配件，用来储存泥浆，承受泥浆压力，使往复式活塞在缸套内做往复运动来完成吸、排泥浆的功能。泥浆泵缸套一般要承受6～18MPa的压力，还要受到介质中酸碱度腐蚀和介质中磨料在高压高速下的机械磨损。由于缸套属于不可重复使用的易损零件，其寿命的长短将直接影响钻井成本。从统计数字看，国产金属缸套的使用寿命一般＜200h，而国外产品一般在600h 左右，因此，目前油田所用的泥浆泵中的金属缸套（由低碳钢外套和高铬铸铁内衬组合而成的复合型金属缸套），在恶劣的工况环境中，很难满足石油工业发展的需要[3]。
泥浆泵缸套作为易损件，最突出的要求是耐高压、耐磨损、抗腐蚀，其次是配合尺寸精度的控制。影响缸套使用寿命的主要因素有：材料本身的化学成分、力学性能、微观结构、过流部分的形状、尺寸、流体的速度、流态介质的温度、固体颗粒硬度等[4, 5]。石油大学的涂德奎等人[6]曾分析了提高泥浆泵缸套使用寿命而采取的各种工艺措施，在分析美国Reed公司生产的新型陶瓷缸套时指出，陶瓷缸套要具有较高的抗压强度、很强的抗腐蚀能力和较长的耐磨寿命。工程陶瓷具有很高的硬度，耐磨性好；具有很强的抗腐蚀能力，与其它缸套材料相比，陶瓷的耐腐蚀性最好，它可以耐各种浓度的酸、碱的腐蚀，这对在恶劣的泥浆条件下使用是非常重要的；陶瓷缸套不仅具有很高的硬度，而且其内表面的表面不平度可加工至0.076～0.102μm，因此，具有很高的耐磨性能, 使用寿命较长。陶瓷缸套是今后泥浆泵缸套的发展方向。液/固双相流用耐磨材料的选择非常重要，因此，选择一种能在复合磨损工况下使用、寿命长的材质，并要求该材料具有良好的力学性能和微观结构，对长寿命陶瓷缸套的使用，提高泵的工作效率，降低生产成本具有重要的经济意义和工程应用价值。
3.提高钻井泵陶瓷缸套寿命的途径
3.1 陶瓷缸套材料的选择
为保证石油生产过程中所产生的砂浆能及时排放到堆场，就必须要求钻井泵保持有足够的压力和流量，也即要求陶瓷缸套不能产生影响泵流量和压力的失效。陶瓷缸套候选材料需要具备以下特性[7]：① 膨胀系数应接近外层金属的膨胀系数，并可略小一点；② 保证在烧成过程中变形尽量小；③ 保证缸套有良好的抗弯强度；④ 要有合适的加工工艺性能。目前，先进陶瓷材料如氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锆等在很多工业生产的应用中已经表现出了非常优异的性能（耐腐蚀、高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性等），从产品性能要求和制作的难易程度考虑, 选择缸套陶瓷材料的主要成分一般为Al2O3、ZrO2、ZTA、SiC、Si3N4等陶瓷，在陶瓷缸套的配方、制备、工艺及性能方面，国内外有学者已经做了许多的研究，特别是近十多年来，在国家相关部门支持下已经取得了飞跃的发展。
氧化铝陶瓷与金属材料相比, 具有透光性好、能承受热冲击、绝缘性好、耐磨性强、生物相容性好等优点;氧化铝陶瓷与氧化锆陶瓷相比, 具有容易烧结, 易达到理论密度等优点。其硬度仅次于金刚石和碳化硼，再经过研磨处理，提高表面光洁度，所以制品的耐磨性极好。它的耐磨性比高铬铸铁高近7倍。含量为92%的Al2O3瓷，在滑动磨损耐磨方面，比镍铬冷硬铸铁高5倍，比所有耐磨的金属更坚硬耐磨。但氧化铝陶瓷的不足之处主要是脆性, 特别在高机械载荷下, 其抗机械冲击性能有时难以满足使用要求。
为改善氧化铝陶瓷的脆性, 增加韧性和抗弯强度, 通过在氧化铝陶瓷中添加氧化锆来获得增韧氧化铝陶瓷[8]。该陶瓷在应力诱导下发生马氏体相变而吸收应变能，成为在陶瓷材料中力学性能最好的材料。例如应用较多的Y-TZP／A12O3陶瓷缸套，以氧化锆增韧氧化铝(a-A12O3)为基体，运用现代增韧和增强技术，引入ZrO2和Y2O3-La2O3稀土复合添加剂等，通过改性增强增韧后，其使用寿命可达3000h以上。与单相氧化铝陶瓷材料相比，加入不稳定氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料尽管由于微裂纹产生的原因，其抗弯强度下降，但具有明显高的断裂韧性。当氧化锆的添加量为10～15%体积比时，其断裂韧性最大，为7～10 MPa·m1/2。在氧化铝基体中加入四方相氧化锆（通常在其中添加2～3mol%Y2O3的断裂韧性为8～10 MPa·m1/2，比加入单斜相氧化锆作添加剂明显提高。通过增韧的陶瓷材料有效地克服了单相陶瓷断裂韧性差的不足，其性能基本满足工程陶瓷缸套的性能要求，为陶瓷缸套材料的重要的组成部分，对陶瓷缸套的研究有重大的实际意义[9]。
氧化锆材料的密度和断裂韧性都明显高于其他陶瓷。采用高纯度的氧化锆陶瓷（一般为99%）、超细（一般粒径小于0.5μm）的原料，通过控制原料的组成和材料的显微组织结构而形成的烧结体，具有极好的化学稳定性，能在除氢氟酸和玻璃溶液外的各种酸碱盐等恶劣环境下长期使用而不被腐蚀。但由于ZrO2基耐磨陶瓷价格昂贵，所制造的耐磨产品很难被钻探行业广泛接受。
Sialon 陶瓷是一类Si-A1-O-N四元系高温结构材料，由于其优越的机械性能、热学性能和化学稳定性，被认为是最有希望的耐磨，耐高温的结构材料之一。以Sialon为基体，通过不同种类Sialon相之间以及外加第二相来增强增韧，可形成Sialon基复相陶瓷。复相陶瓷材料在强度、韧性等力学性能以及在抗化学侵蚀性能等方面都优于单相材料，复相陶瓷的研究是我国先进陶瓷材料发展的趋向之一[10]。有望被广泛用于冶金、交通、化工机械、航空航天、石油天然气等领域[11]。如Sialon结合Si3N4材料易于直接烧结至所需工件尺寸，加工成本低，耐磨性好且硬度高。目前，Sialon结合SiC复相陶瓷材料已开始应用于钢铁冶炼、石油化工以及高级窑具材料中。此外，Sialon基复相陶瓷材料可以由各类工业矿物或固体废弃物为原料来制备，如粉煤灰、硅粉、工业Al2O3等，与合金材料相比，加工工艺简单，生产成本大大降低，并且机械性能较耐磨合金更优良，耐高温、耐腐蚀更好，将成为油气钻探中耐磨
部件的理想材料[12]。
氮化硅陶瓷的硬度、耐磨性虽较天然刚玉陶瓷稍低，但比一般金属材料高，而抗压、抗弯强度却比天然刚玉陶瓷要好。在制造工艺过程中，可以进行机械加工，且经加工后的瓷坯在最后烧结成型时变形量小，容易得到比较高的几何及尺寸精度。在一般的情况下，能适应热膨冷缩的工况条件，骤热骤冷不会裂。碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度好、传热能力强、热稳定好并且耐磨。可用于制作火箭尾部喷嘴、浇注金属用喉嘴、轴承、燃气轮机的叶片、高温热交换器材料及各种泵的密封圈等。但在工程陶瓷中，非氧化物如Si3N4和SiC在高温下存在起因于氧化反应的磨损，而且室温下也存在发生氧化反应的可能。
3.2 材料的力学性能和微观结构对陶
瓷缸套使用寿命的影响
3.2.1 力学性能对陶瓷缸套使用寿命的影响
结构陶瓷具有优异的力学性能，它在摩擦磨损过程中起到了重要的作用[13]。在力学性能对耐磨性的影响中，研究最多的是韧性和硬度的影响。然而，关于硬度、韧性在陶瓷摩擦磨损过程中的作用，目前还没有一致的看法。Wayne等[14]对Al2O3、Al2O3(ZrO2)、Al2O3(TiC)和Si3N4陶瓷的磨粒磨损特性进行的研究证明，V-1与 KIC3/4·H1/2 成线形关系。Evans等[15]80年代就曾经指出，陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因，因此，他们把陶瓷材料的硬度、断裂韧性和弹性模量等力学性能与其磨损特性联系起来，建立了描述陶瓷材料脆性断裂的数学模型，并推导出一些理论公式，其中引用最多的是公式：
VW9/84/5KH5/8(E/H)L IC式中，V—磨损体积，W—载荷，KIC
—裂韧性，H—硬度，α—与材料有关的常数，E—弹性模量，L—滑行距离。从上式可以看出，材料的磨损体积和硬度及断裂韧性都存在一定的关系，断裂韧性和硬度越高，磨损体积越小，耐磨性越好。
3.2.2 微观结构对陶瓷缸套使用寿命的影响 陶瓷材料是由晶粒和晶间组成的烧结体，决定其性能的主要因素是组成显微结构的晶粒、晶间、气孔或裂纹的组合形态。因此，显微结构对耐磨性的影响至关重要。研究表明，晶粒的形状与大小、气孔率和第二相的形状及其体积百分数，以及杂质的分布和缺陷等都会影响陶瓷材料的摩擦学性能。
⑴晶粒尺寸的影响
研究者[16, 17]对 ZrO2、Al2O3和 ZTA 陶瓷的研究表明，当晶粒比较细小时，主要发生塑性变形和部分穿晶断裂，产生轻微磨损；晶粒比较粗大时，磨损的主要机制是晶间断裂，产生严重磨损。由于细晶粒陶瓷可以形成比较稳定的光滑表面膜，因而摩擦系数较小；粗晶陶瓷因为发生晶间断裂，表面比较粗糙，所以摩擦系数较大。Wallis[18]研究也证明，α-SiC的耐磨性比β-SiC的好，主要原因就是其晶粒尺寸比后者的小。Seung [19]等研究了晶粒尺寸Y-TZP陶瓷耐磨性的影响，发现晶粒尺寸对制品的微观性能如划伤、磨损和加工起到重要的作用，大晶粒材料的划痕粗糙，材料去除率高，减小晶粒尺寸可以提高制品的耐磨性。
⑵气孔率的影响
结构陶瓷中存在的气孔对制品的性能有显著的影响，在摩擦磨损过程中，气孔的影响同样不可忽视。有研究表明 [20]：气孔率为5%-7%的TZP陶瓷在室温下容易形成光滑稳定的表面膜，故其摩擦磨损性能优良；而当气孔率进一步增大时，由于发生晶间断裂致使表面膜剥落并引发磨粒磨损，使磨损率升高很快。Wootton[21]对锆英石陶瓷材料的冲蚀磨损研究发现，材料的冲蚀磨损率和气孔率紧密相关，气孔的存在会大幅度降低耐磨性。
⑶晶间强度、晶间相及晶间杂质的影响
由于陶瓷是由众多的晶体及晶间相构成，陶瓷烧结过程中，添加剂和其它杂质主要以玻璃相的形式存在于晶粒间，并且位错等缺陷等都易在晶界聚集，可以说，陶瓷的性能很大一部分取决于晶间相及晶粒结合强度。在陶瓷的摩擦磨损过程中，裂纹很容易在晶界处产生，因此，晶间强度、晶间相以及经间杂质对陶瓷材料的耐磨性有着直
接的影响
对 ZrO2陶瓷晶间相的研究表明[22]，在较低载荷下，ZrO2陶瓷发生磨损的主要机制是微切削，因而晶界杂质对其磨损性能并无影响；而在高载荷条件下，由于晶界杂质发生龟裂阻止了粗大裂纹扩展而可防止陶瓷失效。对于Al2O3、SiC、Si3N4陶瓷的耐磨性来说，由于晶粒间各向异性的弹性和热扩散特性，在摩擦过程中晶间处受到微应力的作用，当晶间强度较弱时，容易发生晶间断裂而使晶粒被拔出或挤出，从而导致磨粒磨损。与之相反，当晶间强度较强时，陶瓷材料发生的是轻微磨损。
3.3 陶瓷表面的粗糙度对耐磨损特性的影响 Bayer B.G[23]研究发现摩擦副的初始粗糙度越低，赫兹接触压应力低，磨损率越低，初始粗糙度增加，赫兹接触压应力急剧增加，磨损率增加。当陶瓷材料与金属或橡胶材料组成摩擦副时，陶瓷材料的表面粗糙度值高时，由于陶瓷材料的硬度很高，所以陶瓷加工表面的凸起的部分便充当了许多微小切削刃的作用，从而对金属或橡胶表面产生严重的微观切削作用，这势必造成该材料在磨损初期就造成快速磨损。对于陶瓷本身，由于粗糙度太高时，其表面凸起部分也会因与金属或橡胶相互撞击过程中，极易断裂，并且会生成大块磨屑分布于摩擦副界面中，充当磨料作用，又加剧了摩擦副的磨损。当陶瓷表面粗糙度较低时，与金属或橡胶表面接触的真实面积增大，承载能力较好，陶瓷断裂的份量相对减少，陶瓷与金属或橡胶的磨损率均变小。
4.结论
（1）工程陶瓷以其高硬度、高耐磨性，耐腐蚀性、表面性能好等优点，在有腐蚀性、含有高硬度固相颗粒的钻井泵缸套中已得到广泛应用。但目前陶瓷缸套的使用寿命良莠不齐，如何提高陶瓷缸套的使用寿命，已成为陶瓷缸套研究中亟待解决的问题。
（2）陶瓷缸套使用寿命与材料本身的化学成分、力学性能、微观结构、过流部分的形状、尺寸、流体的速度、流态介质的温度、固体颗粒硬度等因素密切相关，通过对陶瓷材料的选择，提高力学性能，改善陶瓷微观结构以及其表面的粗糙度，可以达到提高陶瓷缸套使用寿命的目的。
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Research on service life of drilling pump ceramics liner
Gao ruqin1, Quan Jianjun2, Bai Zhanxi2
(1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011;2.Henan Gengsheng High Temperature Materials Co., Ltd, Zhengzhou 450001)Abstract: The high-preure sludge pump is “the heart” of oil drilling worktable, but the cylinder liner is sludge pump important wear part.Engineering ceramics by advantages of its high hardne, high wear resistance, corrosion resistance and excellent surface properties, has been widely used in drilling pump liner.At present, ceramics cylinder’s service life is relatively short, consequently to enhance ceramics cylinder's service life has become important.In this research, by analyzing to the drilling pump liner, requirements of long-life ceramics cylinder were proposed, and methods to improve ceramics cylinder's service life were studied through aspects such as ceramic material's choice, mechanical properties and microstructure, and basis and methods to improve product quality were provided for production enterprise of ceramic cylinder.Key: ceramics cylinder;service life;mechanical properties;microstructure
作者：高如琴
单位：华北水利水电学院 邮编：450011 地址：河南省郑州市北环路36号 联系电话：*** E-mail: gaoruqin@ncwu.edu.cn
