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液动锤射流元件工作寿命试验研究

李伟涛  
【摘要】:液动射流冲击器在钻进工程中具有广泛的应用前景,但是在将液动射流式冲击器应用于石油钻井或深井钻进时我们发现,冲击器的关键部位:射流元件的寿命由100个小时降低到10个小时甚至更低,导致钻井过程中提换冲击器的频率增加,这样就大大增加了钻进的成本,使射流式液动冲击器的应用前景出现了一时的限制。 造成射流元件使用寿命降低的原因是多样的,具体可分为以下几种情况:1、虽然射流元件已经经过了数十年的试验研究,内部结构形状设计日趋完善,但其内部流体高速运动时携带的岩粉岩屑冲刷内表面的细节还没有实现用科学准确的数学模型来模拟计算,对其磨损机理需要进一步深入探讨;2、针对局部由于受高速含破碎岩粉颗粒泥浆冲刷作用而容易出现磨损的状况,我们目前采用的方法是直接铜焊硬质合金,主要分布于喷嘴、侧壁和劈尖部分。然而实际情况是排空道尖角部分和侧壁也容易出现冲蚀。在这些复杂结构部位,硬质合金难以实现镶嵌。 针对射流元件在复杂流体介质环境中出现的寿命降低的问题,本次论文按照射流元件的材料性能分析了其磨损机理及形式,从微观和宏观两个方面建立了射流元件受泥浆冲蚀的数学模型。分别讨论了泥浆中的颗粒对射流元件材料的冲蚀过程和冲蚀效果,以及影响因素。但是这离计算实际的射流元件的失效过程及时间还有进一步分析的必要。 寻找一种替换硬质合金镶嵌或在硬质合金难以镶嵌而耐磨性能要求较高的部位进行表面处理以全面提高射流元件内部工作腔表面耐磨性的方法。一方面使射流元件内部表面磨损计算合理性,另一方面全面提高射流元件内部表面硬度、耐磨性以及耐气蚀和部分的耐冲击性。 针对射流元件的复杂内表面,以及所要求达到的基本指标,比如表面硬度和耐磨性,从经济性和加工的可能性,本次试验主要采用了沈阳金属研究所的爆炸喷涂和兰州化学物理研究所的浸没离子注入的方法。这两家的表面工程技术加工都具有较高的国内知名度,是进行这两种处 WP=76 理方法的理想加工地。 在用这两种方法处理之后,我们对加工的结果在表面层的结合度、硬度、耐磨性方面做出了测试,并将试验效果与原来的基体材料在使用寿命上做一对比,从结果上得出表面工程应用于射流元件的技术效果。等离子体表面处理使35CrMo钢的硬度提高了4-5倍,磨损率下降3/4。经爆炸喷涂处理内表面后,元件内表面硬度值达到YG硬质合金的数值,耐磨性也提高了3倍左右,涂层与基体钢的结合强度达到了80MPa。总的来看,经表面处理后的射流元件其硬度值和耐磨性都取得了明显的提高。 最后,在射流元件的使用过程中,由于其工作环境极其复杂,引起失效的原因也是多方面的。要具体的计算射流元件的失效,首先还需要解决的问题是用统计数据来确定射流元件最先出现磨损的部位;其次,对于磨损造成的“坑”,面积和深度都是影响射流元件失效的重要因素,大面积的“浅坑”和小面积的“深坑”都可造成高速流动的泥浆出现流速的改变。然而面积和深度的测定都还需要大量的试验数据和观察统计,因此在本次论文之外仍然要进行大量的数据研究和统计工作。


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