【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 臨界擴(kuò)張，裂紋長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K 值不斷增加．當(dāng)裂紋的長(zhǎng)度達(dá)到某一 臨界裂紋尺寸az，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K值便達(dá)到該材料在疲勞條件下的斷裂韌性Ktc泵頭裂紋快速“失穩(wěn)擴(kuò)張” ，泵頭發(fā)生最后斷裂。由此可知，疲勞壽命由形成裂紋的孕育期No。，疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)張速率da/dN ，以及最后斷裂的臨界尺寸 ac來(lái)決定． 如圖1所示． 影響泵頭體服役壽命的主要因素?cái)嗔蚜W(xué)的研究成果表昵在裂紋體中，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度可用裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K來(lái)描述。這樣，自然可以想到，在交變載荷作用下的泵頭體中的疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)張，應(yīng)力強(qiáng)度因子K也是一個(gè)很重要的控制參量。但是不同的材料，不同的熱處理狀態(tài)以及其它許多外在因素，對(duì)疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)張均產(chǎn)生影響。研究這些因素的影響，對(duì)于實(shí)施泵頭體的合理選材，制定合理的熱處理工藝和強(qiáng)化方法，盡可能改變疲勞裂紋的萌生位置，獲得低的疲勞裂紋擴(kuò)張速率，對(duì)延長(zhǎng)泵頭體的服役壽命具有明顯的意義． 冶金因素(1)夾雜物：泵頭體中的非金屬夾雜物能促使裂紋擴(kuò)張速率加快．不易產(chǎn)生塑性變形的夾雜物對(duì)材料疲勞性能最有害。鋼的純度的作用在低應(yīng)力(高壽命)疲勞中比高應(yīng)力(低壽命)疲勞中太得多。因此，以央雜形式或白點(diǎn)出現(xiàn)的局部缺陷，就太有助于產(chǎn)生應(yīng)力集中。斷續(xù)的幾何性質(zhì)，基體與質(zhì)點(diǎn)問(wèn)界面的剝離或者第二相質(zhì)點(diǎn)自身的破裂，都可以引起局部應(yīng)變． 因此鋼的純度嚴(yán)重地影確著疲勞強(qiáng)度．圖2所示為疲勞壽命與央雜含量的關(guān)系曲線． 可以看到，夾雜含量增加時(shí)，疲勞壽命顯著降低。(2)晶粒度：有關(guān)的研究結(jié)果指出，在相同的應(yīng)力水平下，細(xì)晶粒時(shí)的疲勞條紋密，粗晶粒的疲勞條紋疏，晶界對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)張有阻止作用，所以細(xì)化晶粒是提高疲勞抗力的有效途徑。當(dāng)鄰近晶粒的屈服強(qiáng)度相繼被超過(guò)時(shí)，較細(xì)晶粒也影響著相鄰晶粒相互范性約柬的數(shù)量。在逐個(gè)晶粒滑移面上微觀裂紋一旦開(kāi)始，剛在阻止其發(fā)展中，晶界的作用也是重要的。在單個(gè)晶粒內(nèi)裂紋的成長(zhǎng)，要容易得多，因?yàn)樗婕暗姆缎粤髯兪茄貑谓M滑移而進(jìn)行的． 但是裂紋穿過(guò)一個(gè)晶粒也通常要求沿另一組滑移面的范性流變，這組滑移面不一定和已經(jīng)達(dá)到間界的裂紋一樣處于對(duì)所加載荷那樣有利的方向．因此，在一定意義上，晶粒間界可能披視為裂紋的阻止者，如果已有一些裂紋起始，則細(xì)小晶粒意味著有更多的裂紋阻止者和更短的裂紋長(zhǎng)度。 表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化處理的手段，主要有化學(xué)熱處理、表面淬火、滾壓，擠壓，噴丸及復(fù)合熱處理等． 對(duì)于泵頭體這樣空間幾何形狀復(fù)雜的零件，一般表面強(qiáng)化處理難以奏效，我們采甩的“簿殼硬化”處理，就是通過(guò)熱處理在工件表面或亞表面產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。為了獲得最佳的結(jié)果，必須整體加熱，這是由于20～ 50％ 的壓應(yīng)力來(lái)自高溫未硬化的心部，從硬化表面向內(nèi)收縮的結(jié)果．經(jīng)過(guò)“薄殼硬化 處理的零件表面壓應(yīng)力經(jīng)X 射線測(cè)定一般達(dá)980M Pa 以上，這是十分可觀的數(shù)值．造成如此巨大的壓應(yīng)力可用工件淬火時(shí)熱應(yīng)力反向和組織應(yīng)力反向不同于一般熱處理來(lái)解釋?？刂拼阃感缘你~進(jìn)行薄殼硬化對(duì)，由于整體加熱，冷卻后期發(fā)生了熱應(yīng)力反向，給表層帶來(lái)了較 的壓應(yīng)力。但從組織轉(zhuǎn)變來(lái)看，只有表面薄層產(chǎn)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，心部并采發(fā)生組織變化，因而只有冷卻初期表面組織轉(zhuǎn)變帶來(lái)的殘余壓應(yīng)力，沒(méi)有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的疊加，使表層獲得了極高的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)出于淬硬層較薄， tl,部較厚，因而表層壓應(yīng)力顯著高于心部的拉應(yīng)力，這對(duì)泵頭體疲勞抗力是非常有利的。 機(jī)加工粗加工所產(chǎn)生的表面不規(guī)則，造成應(yīng)力峰，粗加工也損害表層下一定深度的金屬。使用于疲勞條件下的泵頭體，必須進(jìn)行精加工或磨加工。在鉆孔時(shí)孔底切削面容易出現(xiàn)太面積撕裂而引起疲勞斷裂。合適的磨加工能產(chǎn)生光滑的表面，沒(méi)有誘生的殘余應(yīng)力或疲勞裂紋萌生的位置，但如果出現(xiàn)局部過(guò)熱、燒傷，將導(dǎo)致局部回火，或局部形成未圓火馬氏體，或形成磨削裂紋，這些對(duì)泵頭體的疲勞強(qiáng)度是很不利的。1．提高泵頭體報(bào)役壽命的基礎(chǔ)條件是改善泵頭體鋼材的冶金質(zhì)量． 如硫、磷含量應(yīng)低于0 01％ ，采用VHD精煉，真空度達(dá)30～60kPa時(shí)通氬氣，解除真空前加鋁粒，鋼錠紅態(tài)進(jìn)鍛造，鍛后紅進(jìn)退火，氧化物、硫化物不超過(guò)1級(jí)，塔形試驗(yàn)無(wú)發(fā)紋等。2．提高泵頭體服役壽命的關(guān)鍵條件是采用“薄殼硬化”處理，使泵頭體工作表面獲得高的壓應(yīng)力，其數(shù)值甚至超過(guò)泵頭體材料的屈服限。采用此種工藝，對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)析出的碳億鐵級(jí)別應(yīng)予嚴(yán)格限制．3 提高泵頭體服役壽命的重要條件是保證關(guān)鍵部位有較低的粗糙度，特別是交變腔圓弧和內(nèi)外表面，以消除疲勞裂紋的萌生位置．4．泵頭體應(yīng)選擇具有優(yōu)良抗疲勞特性的鋼材，不宜選用強(qiáng)度太高的材料． 強(qiáng)度高的材料雖然能增大安全系數(shù)，提高強(qiáng)度儲(chǔ)備，但強(qiáng)度提高了，斷裂韌性降低了，反而增加了脆斷的危險(xiǎn)，更不安全．5．泵頭體“薄殼硬化”處理過(guò)程中，由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨著體積膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果拉應(yīng)力超過(guò)鋼材的抗拉強(qiáng)度，則可導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生，有時(shí)甚至放置一定時(shí)間以后產(chǎn)生‘置裂 ． 缸套磨損機(jī)理研究，材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在實(shí)際生產(chǎn)中，泥漿泵是石油鉆井工作臺(tái)的“心臟”，缸套是泥漿泵的重要部件。由于工況條件惡劣(活塞沖次100～ 120次／min，摩擦溫升7O～170℃ ，堿性pH 為9～1O，泥漿含砂量高)，缸套承受高壓、高腐蝕和高磨損。普通缸套的內(nèi)徑磨損非常嚴(yán)重，缸套與活塞間的密封產(chǎn)生刺漏，壓力降低，直至缸套報(bào)廢。缸套是不可回用的一次性易損零件。其壽命的長(zhǎng)短直接影響鉆機(jī)的正常作業(yè)和鉆井成本。缸套的頻繁更換不僅嚴(yán)重浪費(fèi)缸套，而且工人的勞動(dòng)量很大，給井下安全造成了很大的隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每支鉆井隊(duì)每年消耗缸套約100～200個(gè)。目前我國(guó)石油工業(yè)有一千多支外井隊(duì)，這樣，全國(guó)鉆井隊(duì)每年僅缸套消耗就超過(guò)1億多元，而且更換費(fèi)工費(fèi)時(shí)。鉆井泵修理工時(shí)約占1部鉆機(jī)總修理工時(shí)的1/ 2。在鉆1口井的總時(shí)間內(nèi),因鉆井泵等設(shè)備的易損件壽命太低，而使所需的停機(jī)修理時(shí)間占到12 %～15 % ，相當(dāng)于1個(gè)井隊(duì)每年少鉆井1 500～2 000 m。因此，提高缸套的使用壽命，可大幅提高鉆井進(jìn)尺。 磨損原因分析鉆井泵運(yùn)行時(shí)，缸套內(nèi)壁與活塞外圓材料會(huì)產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損、磨粒磨損是其主要磨損形式。而這些磨粒主要是泥漿液中含有來(lái)自地層的各種礦物硬料，其中以石英硬粒為主。石英是六方晶系的致密結(jié)晶體，泥漿中的石英粒子尺寸一般為 ～ mm，硬度高達(dá) HV750～1 300。當(dāng)活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些堅(jiān)硬礦物粒子就對(duì)缸套內(nèi)壁產(chǎn)生犁耕刮擦的作用，產(chǎn)生拉傷犁溝。當(dāng)犁溝尺寸較大時(shí)，高壓鉆井液將泄漏，并沖刷缸套內(nèi)壁，進(jìn)而出現(xiàn)更嚴(yán)重的侵蝕條件下的三體硬粒磨損，使缸體、活塞、缸套在短期內(nèi)失效。 材料選擇圖2 缸套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖目前使用的較多的是雙金屬缸套。結(jié)構(gòu)如上圖，缸套采用雙金屬制作，外套用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。其內(nèi)層為高鉻白口合金鑄鐵，高鉻鑄鐵缸套失效的特點(diǎn)是：馬氏體基體的磨損及凸出的碳化物的折斷和脫落，交替發(fā)生直至失效。碳化物的折斷和脫落是缸套磨損失效的主要機(jī)制，為了提高缸套壽命，必須控制碳化物的折斷和脫落速率，優(yōu)選合適的缸套表面硬度可有效地提高高鉻鑄鐵套壽命?？刹捎秒x心澆注，經(jīng)淬火+回火處理，獲得馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體組織，硬度HRC61～68 ，加工內(nèi)襯內(nèi)孔時(shí)盡量控制內(nèi)壁加工余量小于5 mm ，以保留澆鑄后的細(xì)晶區(qū)。雙金屬缸套的優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性,抗研磨性,很好的磨合性及工作表面的高光滑度；缺點(diǎn)是壽命較短，性能有待提高?？刹捎眯滦筒牧峡朔陨先秉c(diǎn)。項(xiàng)目針對(duì)目前石油鉆采設(shè)備中的抗磨零件材料的抗磨性能差，泥漿泵缸套的使用壽命短等問(wèn)題而研發(fā)。在材料的研究中，舍棄目前國(guó)內(nèi)、國(guó)外普遍采用的低釩合金鋼、高鉻白口鑄鐵等材料加工工藝復(fù)雜、成型能力差等缺點(diǎn)，改變傳統(tǒng)泥漿泵缸套整體離心鑄造技術(shù)和鑲裝式工藝，采用“稀土鐵鎳合金粉末材料”，利用“耐高溫合金粉末粘結(jié)劑”，通過(guò)“離心涂敷”工藝方法在缸套基體內(nèi)圓表面均勻附著稀土鐵鎳合金粉末層．再通過(guò)“電磁感應(yīng)成型”工藝手段，使合金粉末層牢固地和缸套基體結(jié)合為一體。缸套不需要熱處理工藝手段．縮短了制造周期．降低了廢品率，達(dá)到工件耐磨之目的。泥漿泵高性能缸套材料特點(diǎn)是：粉狀材料(粒度在140—320目之間)和缸套基體屬冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度好。鑄態(tài)硬度高達(dá)HRC60～65．抗磨能力強(qiáng)、制造加工方便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,耐磨層厚度可以調(diào)整。同時(shí),還可根據(jù)零件不同的使用工況,可臨時(shí)調(diào)整合金粉末成份達(dá)到工件抗磨蝕之目的。該材料除用于泥漿泵缸套．還應(yīng)用于泥漿閥體閥座．石油鉆桿耐磨環(huán)、抽油泵桿等耐磨零件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，使用壽命比原有材料加工的零件相比提高了3～5倍。 泵軸熱處理要解決的問(wèn)題如何保證運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)目標(biāo)，從技術(shù)角度必須解決以下三個(gè)問(wèn)題。感應(yīng)器是保證感應(yīng)淬火質(zhì)量的重要器具。鑒于所需熱處理參數(shù)不一樣，為此專門(mén)設(shè)計(jì)了仿形感應(yīng)圈。 保護(hù)水套的設(shè)計(jì)軸各檔淬火順序是從下到上依次進(jìn)行。由于偏心輪檔的間隙很小，為了防止加熱上面一檔偏心輪時(shí)使其下面檔邊緣因加熱而降低硬度，保護(hù)水套的合理設(shè)計(jì)是保證質(zhì)量的重要前提。保護(hù)水套采用雙層結(jié)構(gòu)：上層為保護(hù)水部分，加熱時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟以保護(hù)下方鄰近已淬部位；下為淬火液部分，對(duì)加熱部位進(jìn)行自動(dòng)噴液冷卻。整個(gè)噴水圈位于感應(yīng)圈下方，此水圈的位置可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)生產(chǎn)工藝驗(yàn)證確定其到感應(yīng)圈的合適距離，再通過(guò)螺釘固定在支架上。根據(jù)軸的材料和淬硬層深度要求，合理確定工藝過(guò)程中的加熱參數(shù)。由于三種厚度不同的部位需要淬硬，且考慮到其位置特點(diǎn)，在加熱過(guò)程中工件不旋轉(zhuǎn)；軸承檔采取掃描加熱，工件旋轉(zhuǎn)。 工藝調(diào)試位置調(diào)試首先根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸在程序中確定各檔的位置，然后在確定感應(yīng)器初始位置時(shí)進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)。首先通過(guò)肉眼觀察感應(yīng)圈的位置及加熱時(shí)的效果來(lái)完成粗調(diào)。粗調(diào)是關(guān)鍵的一步，粗調(diào)的質(zhì)量直接影響到微調(diào)的難易程度、速度與成本。粗調(diào)完成后，對(duì)實(shí)物進(jìn)行解剖，通過(guò)金相分析測(cè)定淬硬層的軸向分布情況，然后對(duì)感應(yīng)器位置進(jìn)行微調(diào)，從而使淬硬層沿軸向均勻分布。淬火介質(zhì)及濃度的測(cè)試根據(jù)材料的成分選擇了AQ25 1型有機(jī)淬火液。為保證該冷卻介質(zhì)既具有良好的冷卻性能，又防止出現(xiàn)淬火裂紋，合適的濃度范圍為10％ 15％。加熱時(shí)間的調(diào)試在加熱功率與淬火液濃度確定的情況下，為了保證淬硬層深度達(dá)到技術(shù)要求，需要確定合適的加熱時(shí)間，在滿足技術(shù)要求的前提下，提高生產(chǎn)效率。 泥漿泵軸表面熱處理的方法泥漿泵的工作環(huán)境和條件惡劣，易損件就更多，更換次數(shù)就更快，泥漿泵泵軸就是其中之一泵軸作為軸類(lèi)零件，有著多個(gè)尺寸要求和精度等級(jí)，加工復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但普通泥漿泵泵軸的耐磨性太差，導(dǎo)致密封配合失效，經(jīng)常損換，這兩者之間的矛盾，迫使我們必須尋找一個(gè)好的解決措施，最后我們決定用泵軸表面熱處理的方法來(lái)解決。 表面熱處理方式選擇 熱處理有著多種形式，包括退火、正火、淬火、回火、滲碳、氮化、滲金屬等，根據(jù)實(shí)際需要選用了表面淬火的熱處理方法。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是:可以使表面獲得高硬度和耐磨性，而心部具有足夠的塑性和韌性。同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)生產(chǎn)批量要求不高。并且工件沒(méi)有體積限制，這對(duì)于處理泥漿泵泵軸類(lèi)細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件尤為重要。 火焰表面淬火工藝 火焰表面淬火，是將工件的表面用強(qiáng)熱的火焰迅速加熱到臨界溫度以上，并立即冷卻，使其表面具有高的硬度，而心部具有足夠的強(qiáng)度與韌性。 火焰表面淬火加熱溫度比普通淬火要高得多。這是因?yàn)榛鹧姹砻娲慊饡r(shí)，加熱速度極大(因火焰溫度可達(dá)31500C)。因而珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍愈高，奧氏體起始晶粒也愈小。所以，即使加熱溫度較高，仍然不會(huì)引起晶粒的長(zhǎng)大，淬火后可以得到隱晶馬氏體，而這種組織具有較高的機(jī)械性能。 火焰表面淬火有四種類(lèi)型，分別是固定法、旋轉(zhuǎn)法、推進(jìn)法、旋轉(zhuǎn)推進(jìn)法。固定法是在一定時(shí)間內(nèi)利用不移動(dòng)的火焰噴嘴，加熱不移動(dòng)的工件的部分表面，待其達(dá)淬火溫度，然后立即冷卻。旋轉(zhuǎn)法是一個(gè)或幾個(gè)不移動(dòng)的火焰噴嘴，對(duì)快速旋轉(zhuǎn)(常用75150轉(zhuǎn)/分)的工件作一定時(shí)間的加熱，使其表面加熱到淬火溫度，然后立即進(jìn)行冷卻。推進(jìn)法是用具有一定移動(dòng)速度的火焰噴嘴和冷卻裝置，沿不動(dòng)或微動(dòng)的工件依次進(jìn)行加熱和冷卻。旋轉(zhuǎn)推進(jìn)法是一個(gè)或幾個(gè)火焰噴嘴和冷卻裝置，以一定的速度沿快速旋轉(zhuǎn)的工件移動(dòng)，加熱與冷卻在工件表面伴隨進(jìn)行。方式選擇:采用推進(jìn)法，用兩支火焰噴嘴，成畸角之勢(shì)沿緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)((4560 r/min )的工件依次進(jìn)行加熱，待表面加熱到淬火溫度時(shí)，立即冷卻。燃料選擇:火焰表面淬火所用燃料主要有乙炔、天然氣、焦?fàn)t煤氣、石油氣等。我們選用了乙炔—氧氣。噴嘴直線運(yùn)行的速度確定:火焰作直線加熱時(shí)，其前進(jìn)速度可根據(jù)噴嘴火力的強(qiáng)度及工件的要求而定，我們采用的是200300mm/min,工件準(zhǔn)備:泥漿泵泵軸材料為45鋼，硬度為HRC2025，先按各種規(guī)格要求進(jìn)行初加工，留有精加工余量后備用。操作:淬火前需做必要的準(zhǔn)備工作，包括選擇整理場(chǎng)地，準(zhǔn)備好淬火劑(我們采用的是循環(huán)水)，準(zhǔn)備好工件淬火放置架，檢查氣瓶燃?xì)馐欠褡銐?，檢查所有氣路是否有漏氣現(xiàn)象(采用肥皂水檢查，禁止使用明火檢查方法)，各個(gè)方面檢查完畢后開(kāi)始進(jìn)行淬火:一人手持工件，放置在擱架上，按速度要求進(jìn)行直線加熱，. 左右，然后把工件迅速垂直放置到循環(huán)水桶中進(jìn)行冷卻，這就是表面淬火過(guò)程。檢驗(yàn)和返工:待工件冷透后取出，用雙頂針頂放于平臺(tái)上，用百分表測(cè)量淬火表面，控制圓周全跳動(dòng)公差在士20μm范圍內(nèi)為合格，否則，需標(biāo)出最大偏差點(diǎn)進(jìn)行返工，返工方法同淬火，但時(shí)間和速度需視偏差大小而具體確定。 注意事項(xiàng)1火焰前進(jìn)的速度必須均勻，同時(shí)必須保證火焰的穩(wěn)定。2火焰與工件表面應(yīng)當(dāng)垂直，兩個(gè)火焰噴嘴應(yīng)保持在同一圓徑平面上。3加熱場(chǎng)地必須空氣流通，光線充足。4工作時(shí)必須戴好工作眼鏡，以保護(hù)視力。 液力端失效原因分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新技術(shù)應(yīng)用:①泵頭內(nèi)腔均受到泥漿和海水腐蝕介質(zhì)的侵蝕。②泵頭表面發(fā)生變化的相貫線部分除受到與腔內(nèi)其他各處表面相同的交變載荷外，還由于應(yīng)力集中而存在著較大的拉應(yīng)力，使其平均拉應(yīng)力和最大拉應(yīng)力都大于泵