新型压裂泵阀材料的耐磨损性能研究
简介：作者：杨启明，周锡容，谯英 (西南石油学院机电工程学院,四川南充637001)摘要： 通过对多种材料在不同试验条件下耐冲击磨料磨损性能的初步研究,优选出20crmnti 材料开展了在冲击磨损、滑动磨料磨损和冲击磨料磨 ... 关键字：压裂泵泵阀;冲击磨损 滑动磨损 冲击磨料磨损磨损量 变形量 作者：杨启明，周锡容，谯英 (西南石油学院机电工程学院,四川南充637001)
摘要： 通过对多种材料在不同试验条件下耐冲击磨料磨损性能的初步研究,优选出20crmnti 材料开展了在冲击磨损、滑动磨料磨损和冲击磨料磨损条件下的进一步试验,分析了在各磨损与变形条件下的特点,对所观察到的现象与机理进行了讨论,得出了一些有益结论。研究表明,20crmnti 材料经渗碳 淬火 低温回火处理后,具有较好的抗冲击磨料磨损的能力。这对研究新型压裂泵泵阀抗冲击磨料磨损性能的材料具有一定的指导意义。
关键词：压裂泵泵阀;冲击磨损;滑动磨损;冲击磨料磨损;磨损量;变形量
在石油天然气勘探开发工作中,压裂泵泵阀工作于冲击磨料磨损等极端恶劣的工况下,寿命极短。为研制新型压裂泵泵阀,进行了有关泵阀材料的筛选工作。研究表明,磨损不是材料固有的性质,是材料和磨损条件的综合特性[1 ] 。冲击磨料磨损具有如下特点: ①瞬间完成加载与卸载,法向载荷是能量载荷; ②磨料对界面的作用具有凿削式和碾碎式磨料磨损的双重特征; ③ 冲击瞬间有能量的快速转换,冲击动能可能转换为材料的塑性变形能、弹性波动能、磨损及磨粒破碎能、以及热能、声能等[2 ] 。
通过对多种材料的初步研究,优选出20crmnti材料,开展了在冲击磨损、滑动磨料磨损和冲击磨料磨损条件下的进一步试验,分析了各磨损条件下的
特点,并对有关现象、机理进行了讨论。
1 模拟试验
1. 1 模拟工况条件
本试验重点研究了20crmnti 材料在特定载荷下的相对耐磨性特点。试验是在mld - 10 型动载磨料磨损试验机上进行的,试验机基本结构见图1 。
1. 1. 1 基本工作参数
加载重量为157 n ;冲程为50 mm ;冲击频率为64 min - 1 ;泥浆中石英砂粒度为20～40 目,石英砂含量为35 %;上试件硬度梯度呈阶梯变化,分别为hrc60～63 、45～35 、18 、≤2 ,表面粗糙度ra = 0. 8μm ;下试件材料为高铬铸铁,硬度为hrc63～65 ,表面粗糙度ra = 0. 2μm。 根据设定的试验时间,试验机冲锤的工作频数由记数器自动记录与停机控制。试件磨损量是用tg328b 电光分析天平称量的,精度为0. 1 mg ;变形则用千分尺测量;上试件材料是经锻打后加工成型的,并按要求进行了热处理及表面强化工艺。
1. 1. 2 上试件材料的筛选
试验初期的结果表明,20crmnti 材料具有较优良的综合性能。针对该材料又进行了多种表面强化处理工艺的筛选,确定20crmnti 渗碳 淬火 低温回火的综合性能最佳。以此作为本试验所选取的上述各表面强化工艺和试验材料依据,进一步开展了在磨损条件下的试验工作,以分别研究其影响。
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1. 2 几种磨损的试验结果
1. 2. 1 冲击磨损试验结果
所进行的冲击磨损,是在无磨料的情况下,两金属配对摩擦副材料间由于冲击所产生的磨损。本试验是在20crmnti 上试件(上下往复运动) 与高铬铸
铁环(下试件,固定不动) 间进行的。 经过多组配对试验(每组3 个试件) ,所获得上试件材料的磨损量与变形量的结果如表1 所示,据此绘出的关系曲线如图2 、3 所示。由于下试件材料与本研究没有直接的关系,文中没有加以讨论。
1. 2. 2 滑动磨料磨损试验结果
在该损试验中,上试件不动,下试件转动,通过搅拌装置,将悬浮于泥浆中的石英砂磨料不断地带入摩擦面间,从而实现两摩擦副间的滑动磨料磨损
经过多组配对试验,所获得上试件材料的磨损量结果如表2 ,据此所绘出的曲线如图4 所示。测量表明,没有发现上试件产生明显的变形。
1. 2. 3 冲击磨料磨损试验结果
冲击磨料磨损试验中,上试件随冲锤上下往复运动,下试件转动,石英砂磨料通过搅拌装置不断地进入摩擦面间,达到试验目的。所获得上试件材料
的磨损量与变形量的结果如表3 、表4 所示,根据有关数据所绘出的曲线如图5 、图6 所示。
2 分析与讨论
2. 1 试验结果分析
从图2 和图4 可见,冲击磨损与滑动磨料磨损的失重量均较小,其变化大致相似。不过在冲击磨损的某一阶段,试件的失重具有减缓趋势(分别在
2250 冲、5250 冲和6000 冲后) ;而滑动磨料磨损则未发现这一变化,但其斜率较小;冲击磨料磨损(图5) 则不同: ①各组的磨损量变化趋势基本相同,具有较好的重复性; ②整个试验过程中几乎不存在磨损减缓阶段; ③在试验后期,磨损量急剧增加,曲线斜率急剧增大,这是与前两种磨损的根本不同之处。
究其原因,在冲击磨损和滑动磨料磨损的同时作用下,两种磨损的相互影响大大加速了冲击磨料磨损的发展进程,其最终磨损量较前两种磨损约增大1个数量级。
尽管如此,其值仍较试验初期各种材料和表面强化方式的磨损量减少了1 个数量级以上。对变形量的实测与观察表明:冲击磨损和冲击磨料磨损都存在一个明显“墩粗”的局部区域,通过肉眼即可观察到类鼓形变化。同时,在垂直面上则发现局部”缩聚”(如图3 、6 各曲线的正、负值变化 区) ,这一现象主要发生在距冲击面高度约1～2 mm 的范围内。对这两种磨损而言,这一现象又有所区别:对冲击磨损“, 墩粗”现象可能发生在试验的任何阶段,此时试件长、宽方向的尺寸变化趋势相同,方向相反(图3) 。冲击磨料磨损的表观现象尽管相似,但存在的差别是: ①这一现象主要发生在试验的前期(1500～3000 冲左右) ,且发生时间和变形量均有别于冲击磨损; ②在某段时间内,变形量呈减小趋势,具有“自恢复”趋势—弹性恢复(或逆向塑变) —长、宽尺寸逐渐向初始尺寸靠拢,这一现象在冲击磨损中未发现。
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电镜观察发现,各试件上均存在微裂纹,裂纹呈无规律分布,其数量随试验时间的增长而增多。在冲击磨损中,接触面除产生少量的片状剥落外,难以发现裂纹交汇导致材料脱落的现象,如图7 (1) 所示;而在冲击磨料磨损中则能观察到此现象。三种试件的表面都存在一定数量的微小凹坑(图7) 。在 冲击磨料磨损试件中,其凹下处边缘呈现闪晶状,有白亮金属光泽,显微镜下可见为沿晶断口(图8) 。在多个试件上发现了较长的宏观裂纹(图9) ,这应 与磨料的凿削作用和磨损后期的裂纹发展有关。对试验前、后的试件进行金相对比分析表明:冲击磨损与冲击磨料磨损后,试件表面的残余奥氏体微量减少,针状马氏体的数量则略有增加,试件表面硬度有增大的趋势。在滑动磨料磨损的试件上则未发现该现象。有关研究表明[3 ] ,在冲击条件下,奥- 贝钢材料表面形成非晶态组织和纳米级晶粒,可能是材料表面硬度、强度和耐磨性提高的原因。
2. 2 讨论
由于试件表面的不连续接触,接触区将产生较大的局部应力与应变,导致两接触表面部分微凸体发生塑变或断裂,压平或产生微小裂纹。在滑动磨
料磨损中,也存在上述变化,这应是微裂纹产生的原因之一。
试件工作面经渗碳淬火、低温回火后,由于表面硬度高(hrc60～63) ,具有一定的脆性,加上表面处理后可能造成材料局部弹性变形的不协调,因此, 试件表面上部分微凸体可能在初始阶段即发生脆性脱落;此外,由于接触的不均匀性及材料成分可能存在的分布不匀,也可能加速材料接触面在短期内形成初始微裂纹(图7) ,并因此剥落。冲击载荷的作用则可能造成试件边缘部位出现早期的疲劳或脆性崩落,这可能是定时间内两类试验(冲,冲 磨) 材料磨损量较大的原因之一(图2 、5) 。材料中潜在的或在试件锻打加工过程中所存在的非金属夹杂物等硬的第二相质点则可能在试件表面的局部区域引起应力集中,加上磨料犁削的综合作用,都将促使微裂纹扩展,发展成较大的裂纹。由于微裂纹的萌生和扩展需要一定的时间,因此在试验的中后期阶段,才发现有粗大的裂纹或犁沟,如图9 和图7 (1) 所示。
“墩粗”与“缩聚”现象的发生,应与渗碳淬火后材料内部金属结构的变化有关。冲击载荷的重复作用造成了局部晶体的滑移或位错,这种位错应属于螺型位错或混合型位错
[4 ] ,这对泵阀的工作寿命存在一定的影响。其成因还有待研究。此外,接触表面出现的轻微凹陷,说明试验材料在磨损过程中,在接触处发生了明显的材料损失或产生了局部塑变。
沿晶断裂剥落坑的出现,应与磨料的存在有关。由于磨料的凿削作用,加上因试件硬度较高,在载荷作用下,由于高应力而引起材料的局部剧变,最终导致试验材料出现小块脆性崩落。由于计算出的工作 应力小于材料的屈服强度,可以认为这是材料在低应力下的断裂
[4 ] 。
尽管冲击载荷作用下的工作应力是脉动循环应力,但“在材料内部由于弹性波动能的影响,试件应力状态近似于对称循环,应力循环频率远大于冲击频率”[
5 ] ,在重复的冲击载荷作用下引起表面材料的疲劳损伤累积,促使表层微观体积内裂纹产生、扩展,最后汇合而成片状磨屑脱落,这应是少量疲劳磨屑的成因,也是材料产生重量损失的又一原因。
3 结 论
(1) 20crmnti 经渗碳、淬火,低温回火后,具有良好的抵抗冲击磨料磨损的能力,可以作为压裂泵阀的优选材料。
(2) 冲击磨料磨损中,20crmnti 材料表现出“自恢复”变形趋势,有助于提高压裂泵阀的寿命。
(3) 材料磨损的发生、发展与磨损类型、冲击载荷的作用时间和材料表面处理工艺密切相关。
(4) 表面微裂纹的产生,与材料表面硬度、磨料的作用和工作中各种引起应力集中的因素有关,这是材料失重的原因之一。
(5) 片状磨屑的产生与冲击载荷反复作用引起的材料表面疲劳有关;坑状剥落则与低应力下材料的脆性断裂有关。
参考文献:
[1 ] 周锡容,杨启明. 摩擦磨损与润滑[m] . 北京:石油工业出版社,1998.
[2 ] 周锡容,杨启明. 金属表面强化方法对冲击磨料磨损适应性研究[j ] . 石油机械. 2000 ,28 (增刊) :85 - 87.
[3 ] 许振明. 冲击磨损下球状共晶体奥- 贝钢磨损表面呈组织变化[j ] . 摩擦学学报,1999 ,19 (1) :40 - 44.
[4 ] 郑明新. 工程材料[m] . 北京:清华大学出版社,1984.
[5 ] 周秋沙. 冲击磨料磨损机理研究[j ] . 西南石油学院学报,1996 ,18 (3) :82 - 87
