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外文翻译润滑和摩擦学在海水水力活塞泵中的应用.doc

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外文翻译润滑和摩擦学在海水水力活塞泵中的应用.doc

附录1专题国内外小型泥浆泵的现状与发展趋势摘要通过对国内外钻井泥浆泵现状的分析,阐述了钻井泥浆泵的发展方向,以及研制轻便钻井泥浆泵过程中应采用的新工艺、新方法和新技术,并展望了轻便钻井泥浆泵的广阔前景。关键词钻井泥浆泵现状展望一、现状1国内钻井泵现状轻便钻井泵功率在955kW以下,主要配套于4000m以下钻机,因此,轻便钻井泵的市场前景基本依从于4000m以下钻机的使用现状和发展。根据2000年的统计,中国拥有钻机1000余台,占世界钻机总量的32,其中中石油集团公司拥有702台,因此,中石油集团公司的钻机的情况基本反映了国内钻机的现状。在中国石油集团公司拥有的702台钻机中,4000m以下的钻机占总量的80。平均新度系数仅为0.4其中48的钻机新度系数小于0.3,有500台左右的钻机服役10年以上,亟待更新。在十五期间,中石油集团公司投入巨资更新钻机,随之配套的钻井泵相应也需要更新。在2005年统计,中国石油集团公司年累计完成井数为7165口,进尺为10908km,其中井深小于4000m的井数和进尺分别为7056口和101383km,所占比例分别为98.5和95.2。从以上分析数据可知,在用钻机主要为4000m以下钻机。随着改革开放的深入及中国加入世界贸易组织(WTO),我国石油钻井队伍充分利用国内外两种资源、两个市场,实施走出去的战略,进入国际钻井市场,为了满足参与国际市场的需要,中石油、中石化都在不断加大钻井设备的投入,同时加快了老钻机的更新改造和新型轻便钻机研制步伐,加之国际市场对钻井泵的需求增大,使得钻井泵的供求矛盾更加突出,各类型钻井泵的缺口每年达200台左右。国内生产钻井泵的企业主要有宝鸡石油机械厂、兰州石油机械厂等,但由于各自产品为多年前开发,结构不尽合理,难以满足现代钻井工艺要求。目前,三缸单作用往复式钻井泵存在以下主要问题。1)钻井泵重量大,难以适应现代轻便钻机的要求,制约着钻机的移运性。2)冲程短,冲次高钻井泵在不适合的冲次范围内工作,致使液力端寿命短。3)泵压偏低,不能完全满足现代钻井工艺的需要。4)结构不合理,部分强度冗余,部分刚度不足,可靠性低,难以满足钻机高可靠性要求。5)缸套寿命短,难以满足钻机高效率要求。2美国三缸钻井泵的现状1美国三缸单作用钻井泵系列美国的钻井泵大量采用三缸单作用泵,设计技术已由我国宝鸡石油机械厂引进,并已形成F系列泵.2美国三缸单作用钻井泵的结构特点美国三缸泵的液力端、阀箱采用L形,阀箱的吸入阀和排出阀是分体结构。吸入阀采用螺纹压紧,其壳体与阀箱螺纹连接,球形吸入空气包。泵机座多为焊接结构,小齿轮用键固定在传动轴上,大齿轮套装在曲轴上。曲轴采用直轴与偏心轮一起铸造的结构。采用调心球轴承。十字头滑动面经表面淬火磨削。齿轮采用斜齿或无槽人字齿轮。为了加强易损件的互换,阀腔和活塞杆制定了相应的API标准。随机辅助工具齐全,有阀座液压拉拔器,液压拆卸器,缸套拆卸器等。3俄罗斯三缸钻井泵的现状1俄罗斯三缸单作用钻井泵系列俄罗斯的三缸钻井泵起步较晚,发展较慢,至今在钻井实践中,仍大量采用双缸泵。但其三缸泵已形成系列,而且发展势头较快。俄罗斯现有四个功率级别的三缸泵,即600kW、800kW、950kW和1180kW四种。2俄罗斯三缸单作用钻井泵的结构特点俄罗斯三缸泵的液力端,阀箱采用I形直通式和L形,阀箱的吸入阀和排出阀不是分体结构,而是一体式液力模块。L形阀箱又有吸入阀在前、排出阀在后的常规型和吸入阀在后、排出阀在前的变L形结构。吸入阀采用液力压紧装置,不靠螺纹压紧,压紧装置内充满液压油,其壳体与阀箱螺纹联接。排出阀用冠形螺纹压盖压紧。阀盘以锥面和端面与阀座接触,阀盘的质量较轻,接触应力也较小。阀胶皮保证可靠的密封。活塞与缸套间有独特的水封装置,喷淋冷却管有铰链装置,可以提高可靠性,减少机修时间和使用费用。喷淋泵的开关与钻井泵传动机组联锁,电动泵未起动,钻井泵不能起动,以保护主泵。缸套采用离心浇铸的双金属毛坯或双金属轧制钢管制造。外层是中碳结构钢,内层为高铬耐磨不锈钢。内层的金相组织为细针状马氏体和部分残留奥氏体。使用寿命一般在500h左右,最高可达800~900h。为了方便用户,减少易损件规格,制造的600kW、800kW、950kW及1180kW泵的缸套可以通用。活塞寿命平均300h左右,最高600~800h。阀盘和阀座的寿命200~300h,最高600h。吸入空气包有球形及筒形两种。动力端机座有铸件和焊接件,传动采用小螺旋角斜齿轮传动和宽槽人字齿轮。曲轴是由铸造的偏心轮套在直轴上组成的。采用双列圆锥滚子轴承。十字头滑动面经表面淬火磨削。介杆采用双室密封。随机辅助工具齐全,有阀座液压拉拔器、液压折卸器、缸套拆卸器等。总的来说,俄罗斯三缸泵易损件的使用寿命较低。与先进水平相比,尚有不小差距。然而,由于其三缸泵多数运转速度较小(如额定速度为135r/min的泵,经常以70~80r/min运转),而且传动可以调速,因此,泵的功效发挥较好。二、发展趋势随着钻井工艺技术,特别是高压喷射钻井、近平衡钻井、丛式定向井、水平井等新工艺、新技术的发展,钻井泵进一步向大功率、大排量和高泵压方向推进,作为钻机心脏的钻井泵,其性能水平和使用寿命同钻井速率和生产成本有着直接关系,同时其工作条件又十分恶劣,工况也异常复杂,对钻井泵的可靠性和安全性提出越来越高的要求。多年来钻井的实践证实,只有卧式活塞泵能满足钻井工艺要求,钻井使用的活塞泵传动功率由300kW到2000kW,最大排量8~50L/s,最小排量下的最高压力为9~40MPa。从排量的均衡性,对不同结构泵的排量不均匀度进行分析。结果表明,曲柄错角120°的三缸泵比其他方曲柄错角等的多缸泵都有利三缸以上的泵由于结构复杂,维修困难和易磨损而难以广泛应用。近年相继开始研制出5缸、7缸斜盘型轴向柱塞泵、双缸单作用液压钻井泵等新型钻井泵,但由于维修不便及使用寿命等因素限制了其推广应用。所以目前国内外钻井泵的主要形式仍为三缸单作用往复泵。国内外三缸泵的优点有液力端L形结构,复合锥面阀胶皮,冷却缸套活塞的内孔喷射移动式喷淋装置,直立式吸入空气包动力端的体外强力润滑系统,闭式内固定导板机构。钻井技术的发展方向是提高时效,降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。运用大排量高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择。高压喷射则由高可靠性的钻井泵来保证。因此,钻井泵的发展趋势是①降低额定冲数,由150冲/min降到110~120冲/min。②长冲程,最大冲程已达300mm以上。降冲不仅可以提高易损件如活塞密封、缸套的使用寿命,而且还可以减少惯性损失,改善泵的吸入性能,同时提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命,大大提高钻井泵的可靠性。合理降低泵的冲次,适当增加泵的冲程长度,既满足钻井过程中的排量要求,又能确保泵的自吸性能,充分发挥了泵的效能,成为今后钻井泵设计的发展方向。三、研究内容与关键技术钻井行业的发展方向是提高时效,降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。运用高速高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择。决定钻井泵易损件寿命和工作效率的参数为泵冲次、冲程、排出压力和吸入压力。这些参数与有关寿命之间的关系是指数函数。实践表明钻井泵80的故障是由于缸套活塞组的磨损引起的。1钻井泵主要参数的合理选择钻井泵的性能取决于钻井泵技术参数的合理匹配。从提高泵的吸入性能出发,优化选择泵的性能和结构参数是非常重要的。1泵的额定冲次n钻井泵的冲次n是泵的主要参数之一。目前的发展趋势是降低冲次,相同功率下,冲次高使得泵体积小,质量轻,进而制造费用、运输费用和维护保养费用较小冲次高则不能充分发挥三缸单作用泵的效能,因此,对冲次的选定将决定钻井泵的性能可靠性、使用性和经济性。降低冲次可以提高泵吸入性能,特别是提高三缸泵的自吸能力。降低冲次可延长易损件的使用寿命。钻井泵冲次的高低对易损件的寿命有很大影响。活塞失效的主要原因是挤伤和磨损,由于活塞平均速度与冲次成正比,当冲次降低后,活塞往复运动的速度减慢,活塞与缸套之间的摩擦功耗产生的摩擦热减少,从而延长活塞密封的使用寿命,也提高了缸套的使用寿命。同时,十字头、导板、阀和阀座的寿命都有所提高。另外,冲次降低后,惯性损失减少,泵不易产生水击现象,惯性力减弱,将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命。2泵的冲程长度泵的冲程长度是钻井泵的另一重要指标。由以上表所知,在降低冲次的前提下,适当加长冲程长度是合理的,而且还可以进一步改善其吸入性能。经合理搭配泵的冲程长度,泵的额定冲次,缸套直径,在泵的理论排量、排出压力满足钻井工艺要求的前题下使泵的惯性水头系数(ω2rd2)小于34m/s2时,能够确保钻井泵自吸性能良好。3正确设计吸入管线也是钻井泵设计的关键为保证液流与活塞同步增速,液流需要消耗一定的能量,即称为加速度水头损失或惯性损失。随着所用吸入管线的形式不同,这种损失可能加大或减小。要控制惯性损失,提高泵的吸入性能,应注意以下几方面问题。1)吸入管线应有足够的液体。2)选用直通式泵头。3)吸入系统应绝对密封。2钻井泵阀运动对排量的影响钻井泵工作时排量不断变化,压力也随之变化。排量和压力的波动会降低泵的机械效率、容积效率及缩短泵和管线的使用寿命,甚至导致井壁的坍塌和钻进液的漏失。为了减小泵的排量和压力的波动,常用的方法是在泵的排出口安装空气包,或在吸入口安装空气包。泵工作时,阀盘作间歇运动。当阀盘上升时,它与阀座间有一空间,从液缸内排出的液体有一部分储存其中,使流经阀隙的液体量小于液缸内排出液体量当阀盘下落时,下部空间减少,把原来储存的小部分液体排出,使流经阀隙的液体量大于由液缸内排出的液体量。从本质上说,泵阀在阀腔内的运动效果就相当于一台开式往复泵,阀盘相当于一个活塞。对钻井泵而言,为了满足钻井工艺对排量和压力的要求,通常采用换缸套的方法。根据泵阀理论,阀盘的运动存在滞后现象,在排出过程终止时,阀盘并未落回阀座。吸入过程开始时,阀盘在自重、弹簧力及阀盘上下压力差的作用下,快速下落,产生冲击力。阀盘上下压力差越大,阀盘的冲击力越大,阀盘和阀座所受的力就越大。同样,由于泵在高压状态下使用的是小缸套,在Q1Fωrsinωt中,F值较小,泵的排量变化值较大。所以在设计泵时,通常采用泵的小缸径参数。为了减小泵阀运动对泵排量不均度的影响,应尽可能地减小阀盘的直径和运动速度,尽可能地使用直径较大的缸套,使F/f阀的值较大,也就是说,在泵的使用过程中,尽可能使用大直径缸套,既可以提高钻井液的循环量,又可以保证泵的瞬时排量相对稳定,从而保证钻井质量。3液力端失效原因分析、结构设计及新技术应用1泵头失效分析及结构设计1)泵头失效分析泵头失效的主要原因有①泵头内腔均受到泥浆和海水腐蚀介质的侵蚀。②泵头表面发生变化的相贯线部分除受到与腔内其他各处表面相同的交变载荷外,还由于应力集中而存在着较大的拉应力,使其平均拉应力和最大拉应力都大于泵头腔体表面的其他区域,因此腐蚀疲劳裂纹首先在此处形成。由于泵头一直处于平均压力不为零的状态下,使裂纹始终处于张开状态,腐蚀介质极易进入裂纹尖端,从而加速了腐蚀疲劳的扩展。从腔体内表面的蚀坑、宏观断口的海滩波纹,微观断口的腐蚀疲劳辉纹,晶界面上的腐蚀斑点和微坑,断面上的泥状总样及多条裂纹源等,充分证明泵头失效系腐蚀疲劳失效。2泵头结构设计根据以上研究结果,在结构设计时相贯线处应尽量以大圆角过渡,严格控制加工质量,降低应力集中疲劳腐蚀主要与环境特性有关,可采用适当的表面强化工艺、表面涂镀等工艺措施。2缸套磨损机理研究、结构设计及表面处理技术的应用1)磨损原因分析钻井泵运行时,缸套内壁与活塞外圆材料会产生磨粒磨损、粘着磨损,磨粒磨损是其主要磨损形式。而这些磨粒主要是泥浆液中含有来自地层的各种矿物硬料,其中以石英硬粒为主。石英是六方晶系的致密结晶体,泥浆中的石英粒子尺寸一般为0.09~0.3mm,硬度高达750~1300HV。当活塞在缸套中往复运动时,这些坚硬矿物粒子就对缸套内壁产生犁耘刮擦的作用,产生拉伤犁沟。当犁沟尺寸较大时,高压钻井液将泄漏,并冲刷缸套内壁,进而出现更严重的侵蚀条件下的三体硬粒磨损,使缸体、活塞、缸套在短期内失效。2)结构设计双金属缸套的优点在于它的抗腐蚀性,抗研磨性,很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用双金属制作,外套用45钢,经调质处理获得回火索氏体组织,具

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