泥浆泵高铬铸铁缸套激光淬火表面摩擦磨损性能研究

摘要

泥浆泵是石油钻井工程的主要设备之一，而缸套又是泥浆泵的关键零部件之一，一旦缸套发生磨损失效，需要对泥浆泵进行停机更换缸套，导致钻井效率下降，从而会大大增加钻井的作业成本。因此如何提高泥浆泵缸套的使用寿命是一个突出的问题，而已广泛应用于工业各领域的激光表面淬火技术为解决这一问题提供了新的途径。本文以加工泥浆泵缸套的高铬铸铁材料为研究对象，以激光表面淬火技术为手段，以提高泥浆泵缸套使用寿命为目的开展了以下几方面的研究。
　　首先，对泥浆泵缸套-活塞摩擦副的主要失效形式及磨损机理进行了分析，提出了通过激光表面淬火技术来提高缸套摩擦磨损性能的思路。其次，本文利用有限元分析软件ANSYS对激光淬火过程中的温度场进行了模拟，根据模拟后的温度分布云图可以得到激光淬火层深度及宽度随激光功率及扫描速度变化的趋势。然后，采用CO2激光器对高铬铸铁工艺试样表面进行了激光淬火工艺试验研究，研究了不同激光功率P、不同扫描速度v对试样表面形貌、淬硬层深度、宽度以及淬硬层硬度值的影响。最后，在磨粒介质条件下，在MMW-1A型摩擦磨损试验机上对激光淬火后的高铬铸铁试样进行摩擦学性能研究。
　　研究结果表明:当激光功率较大、扫描速度较小（激光功率＞2500W、扫描速度＜15mm/s）时，激光表面淬火后的工艺试样表面会出现熔化、变形、裂纹等缺陷;反之，当激光功率较小、扫描速度较大(激光功率≤2500W、扫描速度≥15mm/s)时，试样表面几乎不发生变化。随着激光功率P的增加、扫描速度v的减小，激光淬硬层宽度和深度均增加，其变化规律与ANSYS模拟的结果相一致;淬硬层最宽可达到与光斑长度相同的10mm，淬硬层深度最深可达0.75mm。与基体相比，激光淬硬层区域的硬度值显著提高，最高硬度出现在次表层，可达1105.7HV，同一深度上的硬度分布并不均匀。试样激光表面淬火后表层组织被细化，由表及里可分为淬硬区、热影响过渡区和基体区。当摩擦磨损试验达到稳定状态时，激光淬火后的摩擦磨损试样表面摩擦系数均比未淬过火的低，当淬火带间距为1mm时摩擦系数最小，其值为0.3左右，而未淬火的试样表面摩擦系数高达0.65;相同磨损时间下，激光淬火试样均比未淬火试样的磨损量小，当淬火带间距为1mm时，磨损量最小，耐磨性最佳。
　　同时，根据以上的研究结果，本文对泥浆泵高铬铸铁缸套的传统工艺提出了改进方案，一旦验证其能有效延长泥浆泵高铬铸铁缸套的寿命，其成果将有效提高石油钻井效率，降低钻井成本。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钻井泥浆泵的发展现状

1．2．2 泥浆泵缸套的研究进展

1．2．3 激光淬火技术的应用与研究现状

1．3 本课题主要研究内容及研究意义

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究意义

第二章 泥浆泵缸套失效机理及摩擦学性能优化分析

2．1 缸套-活塞摩擦副的主要失效形式

2．2 泥浆泵失效缸套的磨损测量情况

2．3 泥沙磨损的机理分析

2．4 提高缸套摩擦磨损性能的方法

2．4．1 改善润滑性

2．4．2 优化活塞的结构

2．4．3 选择新型复合材料

2．4．4 改进泥浆泵的喷淋装置

2．4．5 新型表面技术的使用

2．5 本章小结

第三章 激光表面淬火温度场的有限元模拟

3．1 激光表面淬火机理与条件

3．2 瞬态热分析基本步骤

3．2．1 建模

3．2．2 施加载荷求解

3．2．3 后处理

3．3 激光表面淬火温度场有限元模拟

3．3．1 理论假设

3．3．2 激光表面淬火传热方程

3．3．3 初始条件及边界条件

3．3．4 瞬态温度场模拟

3．4 本章小结

第四章 高铬铸铁激光淬火工艺试验研究

4．1 试验材料

4．1．1 基体材料

4．1．2 吸光涂料

4．2 试验设备

4．2．1 激光淬火设备

4．2．2 显微组织观测设备

4．2．3 显微硬度检测设备

4．3 高铬铸铁激光淬火工艺试验

4．3．1 试验工艺参数

4．3．2 试验方法

4．4 高铬铸铁激光淬火结果分析

4．4．1 试样表面质量观测

4．4．2 试样表面硬度测试

4．4．3 激光功率对高铬铸铁淬硬层深度和宽度的影响

4．4．4 激光扫描速度对高铬铸铁淬硬层深度和宽度的影响

4．4．5 激光淬火硬化区的显微硬度测试与分析

4．4．6 激光淬火区的组织结构分析

4．5 本章小结

第五章 高铬铸铁激光淬火表面摩擦磨损性能研究

5．1 试样设计及材料的选取

5．2 泥浆中磨粒的来源

5．3 摩擦磨损试验方案

5．3．1 试验设备及过程

5．3．2 试样加工参数设计及试验工况

5．3．3 泥浆的配置

5．4 摩擦磨损性能试验结果及分析

5．4．1 淬火带间距对摩擦系数的影响

5．4．2 淬火带间距对磨损量的影响

5．5 泥浆泵缸套加工工艺改进方案

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文