浅谈泥浆泵陶瓷缸套的合理使用--贾宝

浅谈泥浆泵陶瓷缸套的合理使用贾宝（中国石油海洋工程公司钻井事业部天津大港）摘要:在石油钻井行业里，泥浆被誉为“血液”，而泥浆泵被称为钻井的“心脏”，提供钻井的“血液”输送到井下并返回到泥浆池的动力源，是物质与能量交换的中心点。而缸套是此中心点的重要磨损部件，随着人类对全球油气资源开采范围的不断扩大，钻井技术也不断的发展，由陆地不断向海滩、浅海、深海、进军，由单井向丛式井，由浅井向深井、超深井进军。由于海洋平台钻井具有物资运送和存储困难，作业成本较高的特点。这就对钻井设备使用寿命提出更高的要求，大量的金属缸套被频繁的更换以保证钻机的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了现实问题，如何才能提高缸套的使用寿命？提高泥浆泵缸套的使用寿命是钻井遇到的难题之一，本文主要从泥浆泵的缸套简介，陶瓷缸套的现场应用分析提出陶瓷缸套的优缺点及现场注意事项。关键词：陶瓷缸套海洋石油钻井平台第一章国内现阶段缸套简介缸套是钻井泵的主要易损件之一，其质量和性能直接影响到钻井工作的正常进行，关系到建井周期的好坏，长短和钻井成本的高低,可能会引更复杂的井下情况,特别是随着石油化工工艺的发展和改进,对泥浆泵的功率和压力要求也越来越高,这使得泥浆泵的液力端的工作环境更加恶劣。在我国现阶段，钻井泵缸套的型式有单金属缸套、双金属缸套以及陶瓷缸套，下面简单的介绍：[1]1.1单金属缸套单金属缸套采用低碳合金钢或中碳钢，粗加工后，前者经过整体渗碳淬火回火处理，后者经过内孔中频淬火回火处理，精加工后对内孔进行珩磨而成。现以不常用。1.2双金属缸套双金属缸套就目前国内生产现状来看，有两种结构镶装式和熔铸式，双金属缸套外套采用机械性能不低于ZG35钢的优质碳素钢，经调质处理后获得回火索氏体组织，具有较好的综合性能，其内套采用高碳高铬合金铸铁，经淬火回火处理后，获得马氏体+碳化物+残余奥氏体组织，整体硬度HRC60～68。两种结构不同之处在于：镶把内套热装外套中；熔装式双金属缸套选择合适的过盈量，铸式双金属缸套是在铸造时，先浇铸外套，在外套处于固液状态时，再把高碳高铬合金铸铁浇铸于外套内孔上。另外，两者的热处理工艺也不同：镶装式双金属缸套的外套只进行调质处理，内套粗加工后，经过特殊的淬火回火热处理使其硬度达HRC60以上，内外套分别处理后再镶装而成，而熔铸式双金属缸套在整个生产流程中其内外套都是分不开的，它的热处理过程在保证其外套的可切削性能和使用性能的情况下又必须保证内孔硬度HRC60以上，因此工艺比较复杂。1.3陶瓷缸套陶瓷缸套是在镶装式双金属缸套的基础上改进而成的，是用耐腐蚀的陶瓷内套代替了高碳高铬合金铸铁内套，其技术原理为，运用近代的相变增韧技术，以高韧、高强的增韧氧以满足长寿命的需要。外化物陶瓷材料制成整体缸套内套，外套的生产工艺与镶装式双金属缸套外套一样，陶瓷内套的生产工艺大致为：粉料处理→喷雾造粒→等静压成型→常压烧结→加工。其工艺更加复杂。第二章各类型缸套现场使用问题分析活塞在缸套内往复运动，使泥浆吸入和排出缸套内孔，而泥浆中含有石英硬粒等硬质颗粒，同时泥浆有很大的腐蚀性，在活塞和泥浆的共同作用下缸套内壁受到磨损和腐蚀，导致内孔被划伤，从而失去密封性，此时缸套性能的好坏直接影响缸套的使用寿命。2.1单金属缸套单金属缸套是使用最早的一种钻井泵缸套，在石油钻井初始阶段发挥了很大的作用其性能主要为：表面有2～3mm耐磨硬层，硬层硬度为HRC55左右[2]。随着石油钻井技其缺点越显明了。不耐磨以及使用寿命短导致更术的发展，换频繁，严重影响钻井进度，不利于钻井效率的提高。2.2双金属缸套双金属缸套是在石油钻井技术的快速发展下，在单金属缸套的基础上发展起来，其性能主要为：内衬为耐磨耐腐蚀且整体硬度为HRC60[3]以上，与单金属的高碳高铬合金铸铁，缸套相比，它耐磨和抗腐蚀性比较好，使用寿命提高了2～3倍，提高了钻井效率，减轻了工人的劳动强度。随着现代钻井技术的快速发展，目前双金属缸套的性能虽然较单金属缸套有较大提高，但仍满足不了现代钻井的需要，其缺点表现为：在地层复杂或钻深井时，钻井泥浆液温度使得缸套的耐磨和抗腐蚀性能下降，其更换也较频繁，较高，从而在一定程度上影响了钻井效率。因此，现代高效率钻井要求一种性能更好的钻井泵缸套来替代双金属缸套。2.3陶瓷缸套[4]陶瓷缸套具有密度高，强度好，耐磨性好的特点。但就国内情况来他陶瓷缸套的原料有氧化铝。氧化镐，其中氧化镐是最好的，超高温，超耐磨。大大提高使用寿命。陶瓷缸套主要是用来保护钻井设备的，节省了不必要的麻烦，大大提高工作效率，同时他的价格也是比较贵，如果说泥浆是钻井的血液，那么泥浆泵就是钻井设备的心脏，而缸套、柱塞、活塞和阀体阀座又是泥浆泵的心脏。因此，它们的寿命直接影响到钻井效率、钻井成本以及钻井工人的劳动强度。那么我们的所应用的陶瓷缸套之所以具有如此多的优势，其中一个主要的原因就是它的构成材质氧化锆陶瓷的优良特性，据我们了解，氧化锆陶瓷制品有着它特殊的耐磨性、韧性、高密度、高绝缘的优异特性，用于精密机械零件、半导体电子行业、生物医疗、航天航空等领域。对抗折强度、绝缘性能、光洁度要求较高的产品是不可缺少的材料。[5]第三章陶瓷缸套现场应用分析目前油田在用的泥浆泵缸套基本上是用由低碳钢外套与高铬铸铁双金属缸套内套的结合，有离心浇铸结合型和热组装型两种类型。使用寿命大体在300-800h之间。为了准确的掌注截至2014年11月5日部分陶瓷缸套仍在使用中，因此用累计使用时间代替使用寿命握金属缸套和陶瓷缸套的使用情况，进行下列现场分析试验3.1分析方法表3-1金属缸套寿命统计表名称1#泥浆泵2#泥浆泵3#泥浆泵1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸平均寿命（小时）130112371425162212711181152914011197最高寿命（小时）190117832169250717291453234122431673最低寿命（小时）692384496702828661343441543表3-2金属缸套的活塞寿命统计表名称1#泥浆泵2#泥浆泵3#泥浆泵1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸平均寿命（小时）293334357290817280395272501最高寿命（小时）4214525624239813605464621143最低寿命（小时）153176241174563135128112358表3-3陶瓷缸套活塞寿命统计表名称1#泥浆泵2#泥浆泵3#泥浆泵1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸1#缸2#缸3#缸陶瓷缸套寿命（小时）372125432945356728763721372127993295活塞平均寿命（小时）95113211000832118493690911381126活塞最高寿命（小时）172825431779105613921440196820491688活塞最低寿命（小时）396528621401976608688717785为了准确地掌握缸套的性能，特跟踪2010年10月10日至2012年10月3日中油海8号钻井平台在与胜利和EDC合作时采用金属缸套，以及2012年10月7日至2014年11月5日与中海油合作进行KL3-2A等井组作业时使用陶瓷缸套。现场分析条件中油海8钻井平台为3台F1600型号泥浆泵。由于是井组作业。排量变量较大，钻井参数控制在4方以内，泵压21兆帕以内，分析情况排出因为其他情况导致的缸套活塞的意外破坏，其中双金属缸套采用的是普通活塞，而陶瓷缸套采用的是与之配套的高性能活塞。运行结果分析条件运行时检测缸套的寿命记录与缸套配合的活塞的寿命对比两种缸套的实验分析结果3.2分析结果（一）两种缸套及相应的活塞现场应用测试从表3-1、表3-2、表3-3可以看出至2014年11月5日应用结束为止，三台泥浆泵累计运转6228小时，陶瓷缸套最高使用寿命为3721小时，最低寿命为2543小时，平均寿命为3243，金属缸套最高寿命为1622小时最低寿命为343小时，平均寿命为1351小时，陶瓷缸套明显优于金属缸套为金属缸套的2.4倍。与陶瓷缸套配合的活塞最高寿命为2543小时，最低寿命为401小时，平均寿命为1738小时，而与金属缸套配合的活塞最高寿命为1143小时，最低寿命为112小时，平均寿命为393小时。(二)对比两种缸套的实验分析结果从图3-1和图3-2可以看出,在现场使用钻井液的前提下,保证泥浆泵压力流量的条件下陶瓷缸套的使用寿命是金属缸套的2.6倍,使用陶瓷缸套后活塞的使用寿命是前者4.4倍图3-1陶瓷缸套与金属缸套使用寿命对比图05001000150020002500300035004000陶瓷缸套寿命（小时）金属缸套寿命（小时）图3-2陶瓷缸套与金属缸套的活塞使用寿命对比图第四章陶瓷缸套的优缺点及现场注意事项4.1陶瓷缸套的优点1、适用于石油、地质结构恶劣的钻采环境以及海上石油、天然气开发。[6]2、比双金属缸套提高2-7倍的适用寿命，使用寿命可达2500小时以上。3、具有耐磨损、耐腐蚀、耐高压、耐高温、高强度、高硬度的优点。4、降低钻井工作的运输成本、维修成本、人工成本、储存成本,减轻工人劳动强度。5、加工精度高使用寿命长、减少活塞磨损。6、陶瓷缸套的陶瓷材料不生锈，耐腐蚀效果明显，无污染、无毒副作用，符合环保要求。7停泵检修减少，能大大降低井下复杂情况，可以显著降低钻井综合成本。4.2陶瓷缸套的缺点1陶瓷缸套对泥浆泵的要求比较高，十字头间隙在0.50mm以内，中心拉杆的摆差小于0.30mm，否则就可能对陶瓷缸套造成冲击性破坏。2活塞皮碗磨损超过极限后要及时更换，否则活塞铁芯会大面积拉伤陶瓷缸套。3高性能活塞是靠泥浆压力使其产生膨胀力密封的，这就导致其往复力受力差较大，容易使中心拉杆和活塞拉杆产生疲劳破坏。0200400600800100012001400陶瓷缸套活塞寿命（小时）金属缸套活塞寿命（小时）4.3陶瓷缸套使用应注意的问题1通常情况下，我们了解到缸套的内壁与活塞环是在高温、高压工况下工作的,高温使润滑油粘度降低甚至烧损,高压使油膜不易形成;同时,缸套和活塞环两者之间的相对速度变化很大(O一30m/s).因此,在维修过程中粗心疏忽,就会使缸壁与活塞环形成半干摩擦或干摩擦状态,使两表面直接接触而产生粘着,形成粘着磨损。2泥浆含砂量是影响陶瓷缸套寿命的因素，至少要保证固控系统的除砂效果，排除粒度75微米以上的砂粒。有害固体含量要低。3要规范在井队安装和使用规程。4保持砂浆清洁5用一段时间要调换一下位置。6加强冷却，保证冷却系统良好。4.4安装时的注意事项1严禁抛掷，摔打，冲击陶瓷缸套，需要放倒缸套时应缓慢进行2严禁用重锤等重物直接击打陶瓷缸套，敲打时须垫上木头等材料，轻轻敲打以起缓冲作用。安装基面时必须涂防锈油。3安装活塞前应检查活塞头金属外表皮，有无磕碰，损伤，变形，否则有可能损伤泥浆泵活塞内衬，出现裂纹；活塞最大外径与缸套陶瓷内径应有0.20mm以上的装配间隙。4安装完成后，活塞的金属部分与缸套陶瓷内壁尽量不发生偏磨现象，如果有偏磨现象，需尽快矫正。5垫子出现刺漏现象，这是由于缸套垫子每一批厚度不一，缸套压盖没有上到位所导致。要仔细检查避免刺漏没能及时发现导致缸套密封部分被刺坏。第五章总结随着石油行业不断发展，由于海洋平台的物资的准备运输时间较长和储存成本较高的特点，陶瓷缸套应用于各钻井平台是大势所趋。利用中油海8号钻井平台使用陶瓷缸套期间，特跟踪陶瓷缸套的使用寿命，了解了它的使用对降低钻井工作的运输成本、维修成本、人工成本、储存成本,减轻工人劳动强度意义重大。陶瓷的高硬度,高耐磨性,耐化学腐蚀,耐高温且摩擦系数小的优点,使缸套的使用寿命大大增加,但其缺点是容易产生脆性断裂,抗拉强度低,本文针对此缺点通过现场实践摸索提出了现场安装使用注意事项,希望对今后的陶瓷缸套的使用能有所帮助。参考文献[1]包吉文，公茂秀.高铬铸铁泥浆泵缸套磨损机理试验研究.山东冶金.第一期,1991:38-41[2]贾志新,艾