泥浆泵工艺说明书毕业论文.doc

摘要-目录-第一章 的总体概述-第二章 动机的选择-第三章 浆泵的一些零件的设计计算-第四章 浆泵主要零件的额加工工艺-4. 1 偏心轮的加工-4. 1 . 1工工艺4. 1. 2 注意事项4. 2 泵头体处理工艺- 4. 2. 1 泵头提到额失效过程 4. 2 .2 影响泵头体服役寿命的主要因素 4. 2. 3 冶金因素 4. 2 .4 平面强化 4. 2. 5 机加工4. 3 缸套磨损机理研究 材料选择及结构设计- 4. 3. 1 磨损原因分析 4. 4 泵轴热处理要解决的问题- 4. 4. 1 感应器的设计 4. 4. 2 保护水套的设计 4.4 . 3 工艺过程的设计 4. 4. 4 工艺调试4. 5 泥浆泵轴表面热处理的方法-4. 5. 1 表面热处理方式选择4. 5. 2 火焰表面淬火工艺4. 5. 3 火焰表面淬火工艺制定4. 5. 4 注意事项4. 5 . 5 缸套磨损机理研究、结构设计及表面处理技术的应用4. 5. 6 效果分析4. 6 齿轮-4. 7 活塞密封圈的选择-第五章 泵的使用与维护-5. 1 安装5. 2 维护5. 3正确使用与维护5. 4 泵的润滑5. 5常见故障及排除第六章 柱塞泥浆泵的经济可行性分析-第七章 结论-参考文献-附录 一 专题-附录 二 外文翻译- 英文翻译 中文翻译第一章 泥浆泵泵的总体概述柱塞泥浆泵的工作原理：图1.1由图1.1解释。由电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。经偏心轮将回转运动转化为直线往复运动。驱动双作用柱塞泵作功。柱塞泵的进浆室、排浆室各有两个钢球组成的单向控制阀（如下图所示）。当活塞杆向左驱动时，缸体右腔进浆（单向阀F2打开，单向阀F4关闭），缸体左腔排浆（单向阀F3打开，单向阀F1关闭）。当活塞杆向右驱动时，缸体左腔进浆（单向阀F1打开，单向阀F3关闭），缸体右腔排浆（单向阀F4打开，单向阀F2关闭）。（见以上工作原理图1.1）除此之外,在主通路上安装空气力表用来调整泵在抽吸过程中产生的波动大小。泥浆泵是在钻探过程中，向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻探机械设备的重要组成部分。泥浆泵的主要作用是在钻进过程中将泥浆随钻头钻进注入井下，起着冷却钻头，清洗钻具、固着井壁、驱动钻进，并将打钻后岩屑带回地面的作用。在常用的正循环钻探中泥浆泵是将地表冲洗介质清水泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下经过高压软管水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端以达到冷却钻头将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的由动力机带动泵的曲轴回转曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泥浆泵泵缸中做往復运动。在吸入和排出阀的交替作用下实现压送与循环冲洗液的目的。 图1.2偏心轮连杆传动：如图3-1所示 图3-1 PZNB 型喷水式柱塞泥浆泵结构图1 传动端;2 柱塞组合;3 水清洗系统;4 阀箱组件其传动端结构为中心轴+偏心圆盘+连杆。机构工作方式为：电机通过减速器减速后，通过心轴上的啮合齿轮副带动轴旋转，由于偏心圆盘是通过刚性连接于轴固结为一体，圆盘也将做旋转运动。再经过连杆的运动传递，将旋转运动变为注塞的往复运动。此类结构中，要求轴端必须有轴承支撑，整个动力端要有良好的润滑、散热和密封装置。泥浆泵性主要能参数泥浆泵性能的两个主要参数为排量和压力。排量以每分钟排出若干升计算它与钻孔直径及所要求的冲洗液自孔底上返速度有关即孔径越大所需排量越大。要求冲洗液的上返速度能够把钻头切削下来的岩屑岩粉及时冲离孔底并可靠地携带到地表。地质岩心钻探时一般上返速度在0.41米/分左右。泥浆泵的压力大小取决于钻孔的深浅冲洗液所经过的通道的阻力以及所输送冲洗液的性质等。钻孔越深管路阻力越大需要的压力越高。随着钻孔直径深度的变化要求泵的排量也能随时加以调节。在泵的机构中设有变速箱或以液压马达调节其速度以达到改变排量的目的。为了準确掌握泵的压力和排量的变化泥浆泵上要安装流量计和压力表随时使钻探人员瞭解泵的运转情况同时通过压力变化判别孔内状况是否正常以预防发生孔内事故。目前，全球真空泵的市场的年销售额约20亿美元，年增长率在7%左右。我国生产的真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在1.5亿左右，仅相当于美国Kinney公司一家真空泵的年销售额。通过对全球真空泵市场的分析我们可以看处，各类真空泵的市场及应用领域都在不断的变化和发展。我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础，国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些还出口到国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。第二章 电动机的选择泵的原动机类型应根据动力来源、工厂或装置能量平衡、环境条件、调节控制要求以及经济效益而定。现今电动机主要有鼠笼式和线绕式两种，三向交流鼠笼型异步电动机是石化装置用泵的主要原动机，它具有结构简单、维护方便、价格较低、体积紧凑、启动及运行均较方便可靠的优点。但是它不能经济、方便地实现范围较广的平滑调速、运行中必须从电网吸收滞后的无功电流而使电网功率因素变低，一般不适于大型泵及调速泵，而多用于中、小型泵。相比之下，三相交流绕线型电机和三相交流同步电机，则可用于对启动、调速、改善电网功率因数、大功率、高效率、转速恒定等有特殊要求的场合，但用于驱动泵的不多。直流电机虽有调速性好、启动转矩大等优点，但需直流电源，造价高，维修较复杂，一般也不常用于生产装置中。当需要改变工厂的蒸汽平衡，对装置中大型泵或需调速等特殊要求的泵，可采用气轮机作泵的原动机。随着石化装置技术水平及经济性的提高，采用反转离心泵或液力透平作为泵的辅助或主要原动机，以回收压力液流的可用能量；采用调速或多速电机，或采用电磁的、液力的、机械的耦合器以达到泵调速的目的等技术，近年来已应用于石化装置。此外，在特定的情况下，也有用蒸汽机、内燃机、燃汽机等作为泵的原动机的。然而，由于泥浆泵的工作环境和条件恶劣，工作于高湿度、高粉尘的环境。根据机械设计使用手册需要选择专用电动机。电机的选择还要根据某些参数才能确定最终的电机型号计算过程如下：由已知参数可知P=4Mpa.而根据公式F=AP可得， F=43.140.0952=113354N 其中 F主轴所受的轴向力A运动活塞的截面积P作用在轴上的最大压力由以上便可得主轴的转矩T： T=Fr=11335480=9068N.m根据公式， P=，可得 P= =16270/r 其中 p为排量； M 为转矩 ； P为最大压力； 又由Q=，可得轴的转速r=， r= =117r/min； 其中Q为流量（L/min）； P为排量（/r）；最终根据以上所求的参数，可根据公式T=9550 求得轴的输出功率 P= = =111Kw；取每级齿轮的传动效率为0.97，带的传动效率为0.92。可算得电机的输出功率为P= =128Kw。一般的，Y系列是供一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机，具有效率高、性能好、噪音低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点。而Y系列电动机主要拥有启动转矩高、启动电流小等优点。 根据以上的叙述和有关计算，决定选择Y315M1-4型三向异步电动机，其功率为132Kw，转速为1490r/min，重量为1100Kg.此系列的电动机的主要特点：1 启动转矩高、启动电流小，效率较高，损耗少，运行可靠，运行温度低；2 由于其结构型式为封闭式，因此可以在尘土飞扬、水土飞溅的环境中使用，在比较潮湿及有轻微腐蚀性气体的环境中也能有较长的使用寿命。第三章泥浆泵的一些零件的设计泥浆泵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，.泥浆泵的发展趋势是:降低额定冲数，由150冲/min降到110一120冲/min,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，改善泵的吸人性能，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。 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、排出压力和吸人压力。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。3. 1 泵主要参数的合理选择 泵的性能取决于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人性能，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，质性力减弱，将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命。冲次泵缸横截面积：S=x=0.030685往复频率f： f=41.64 冲次 w： w=1/f=1.428S/次 上式中， L：流量； V：泵缸容积； 0.5：泵缸冲程，单位m。推杆推力F： F=PS=4Mpa x 0.030685=122.74KN (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人性能。 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小于0 . 34 m/s2时，能够确保钻井泵自吸性能良好。 (3)正确设计吸人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”。随着所用吸人管线的形式不同，这种损失可能加大或减小。要控制惯性损失，提高泵吸人性能，应注意以下几方面问题： 1)吸人管线应有足够的液体。 2)选用直通式泵头。 3)吸人系统应绝对密封。3. 2 钻井泵阀运动对排量的影响 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，或在吸人口安装空气包。 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。吸人过程开始时，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Q1= Fcursincot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Flf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. 3 缸筒材料选择： 要有足够的强度，能长期承受最高工作压力；要有足够的刚度，能够承受活塞的侧力和安装的反作用力而不至变形；良好的耐磨性，在长期工作情况下仍能保证较高的尺寸和形位公差等级；综合以上各条和经济性考虑，缸筒材料选为15Mn。由以上数据可计算液压缸筒壁厚为：（设）由19-212有：圆整为30mm。其中 ：缸筒壁厚， ：缸内最大压力， ：； ：缸筒材料许用应力； n安全系数，取为5。至此，缸筒尺寸确定：直径100mm，壁厚30mm，长L为500mm，（考虑到活塞厚度及缓冲缸的存在，长度定为600mm）3.4吸浆管与排浆管的选择与直径计算3.4.1吸浆管直径计算 dx=（4Q/vX）1/2=42323/（3.141360）1/2=0.19取20mm式中：vX液流在吸入管中的流速 取vX=1.3 m/S=13 dm/S Q计算流量Q=Q/V=1917/0.825=2323L/min3.4.2 排浆管直径计算 dp=（4Q/vp）1/2=（42323/（3.142060）1/2=0.272mm取30mm式中：vp液流在排水管中的流速 取vp=2m/S=20 dm/S3.4.3 浆管的选择根据工作压力和按上式求得的管子的内径，选择胶管的尺寸规格。对于频繁，经常扭者要降低40%。胶管在使用及设计中应注意下列事项：（1） 胶管的弯曲半径不宜过小，胶管与管接头的连接处应留有一段直的部分，此段长度不应小于关外半径的两倍。（2） 胶管的长度应考虑到胶管在通入压力液后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩量为管长的3-4%。因此，胶管安装时应避免处于拉紧状态。（3） 胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为了便于安装，可沿管长涂以色纹，以便检查。（4） 胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管收扭。（5） 胶管应避免与机械上尖角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。3.5连杆十字头连接处销子强度的计算 销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特点按经验确定，必要时再作强度较核。 定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。销在每一个被联结的件内的长度约为销直径的1-2倍，定位销的材料通常选35、45钢，并进行硬化处理，根据工作需要也可以选用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；弹性圆柱销多采用65Mn，其槽口位置不应装在销子受压的一面，要在装配图上表示出槽口的方向。 设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。安全销的材料可选用35、45、50钢或T8A、T10A等，热处理后硬度为30-36HRC；销套材料可选用45钢、35SiMn、40Cr等，热处理后的硬度为40-50HRC。安全销的直径应按销的抗剪强度b进行计算，一般可取b =（0.6-0.7）b。根据本设计的实际情况，选择45钢d=16mm的圆柱销。材料：45号钢机械性能：s=36000N/cm2 b=61000N/ cm2= s/1.5=24000N/ cm2（1） 外加负荷P=D2P/4=162200/4=40192N（2） 各支点反力FA，FBZ=0FA+ FB= P=40192NMA=018 P36 FB=0解得：FB=20096N FA =20096N（3） 各支点弯矩如图4.1MA=MB=0MC=18FA=36172N.cm （4） 按弯曲强度计算从图4.1的弯矩图可知危险短面为C处截面，截面C处的抗弯摸量WW=0.1d3=0.11.93=2.476 cm 3截面C处的弯曲应力WW=MC/W=36172/2.476=11609 N/ cm2 安全系数nn=/ W=24000/11609=2.06 安全（5） 按剪切强度计算由于此销为双剪切故剪力Q=P/2=20096N剪应力=Q/F=20096X4/1.92=1791 N/ cm2安全系数n=/ =8150/1791=4.55 安全式中：许用剪应力=8150 N/ cm2 （6） 按挤压强度计算挤压应力JY=P/FJY=4019/1.6X2.4=1046 N/ cm2 安全系数n= JY /JY=5100/1046=4.88 安全式中：JY挤压剪应力JY=5100 N/ cm2 综上所叙连杆小头销子直径为19mm满足强度要求。第四章 泥浆泵零件的加工工艺经过计算和几次方案论证，考虑到工作现场的特点，从实际实用的角度出发，确定方案如下：考虑到多种场合的野外作业，动力选择电机；1. 考虑到密封件容易损坏，需经常更换，选择新型的密封材料聚四氟乙烯，可延长使用寿命；2. 考虑到泵体容易损坏，选用高强度材料，提高承载能力；3. 柱塞选用更好的材料，提高柱塞耐磨性，延长柱塞使用寿命。4. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适合于搬运。尽量做到标准化，通用化，系列化。4.1 偏心轮的加工三个偏心轮工作由一个直轴联接成一体，三个偏心轮的空间位置各相差120。次偏心轮结构结构尺寸、同轴度、垂直度要求非常严格，各装配尺寸上粗糙度的要求也很高这些技术要求给加工增加了难度。胎具的设计提出：根据偏心轮的结构，偏心部分内孔与外圆部分壁薄厚不均，个各尺寸精度较高的特点，设想能用一种机加方法把各部尺寸一次加工完成，为了保证零件尺寸精度及形位公差精度，借助于胎具，按同一加工基准定位，通过实际操作，能够满足设计要求。胎具两侧孔偏心距要求与偏心轮相同，偏心距为1000.05mm，并保证轴线平行，周围孔与偏心轮上孔把合，利用胎上的孔及周围螺栓把合定位，将偏心轮固定，分步加工各部尺寸。4.1.1工艺流程毛坯的准备，材料ZG35CrMo，铸后应正火处理，稳定组织，利用划线，全线检查查看各部尺寸，查看余量是否能满足加工粗车：利用划线，用2.5m立车粗车，各部留6mm，超声波探伤检查毛坯内部质量，然后进行调质处理，再探伤检查，看材料是否还有缺陷，再粗车一刀，每面留2mm，余量后进行稳定化处理，使零件的组织更稳定，并进一步消除材料及加工应力。半精车：用2.5m立车车成在半精车时需加工一刀，以备找正用；通过划线利用小钻将过垂直轴线的空加工，为保证胎具的使用精度，由钳工处理各孔的毛刺；精加工：有A、B两种。A:用2.5m立车上胎；按相关端面找正，端面跳动在0.03mm内，修研装夹面，将零件向下装入胎内，检查零件与卡盘回转中心同轴度达到0.04的图纸要求，用沉头螺钉将零件与胎具把牢，内孔按图纸要求磨好；划出偏心十字找正线，上胎；按相关端面赵正，端跳小于0.03mm，修研装卡面，用工艺螺栓和垫圈将零件装卡牢固，车全部偏心尺寸，半精车时检查偏心距100mm实际尺寸，并微调偏心，各面均留0.3mm，其余各部达到图纸要求；B：用立式磨床上胎；修研装卡面，将零件固定在胎上，按零件端面及内孔找正，磨外圈达到图纸要求，拆下零件，将胎具掉个，按偏心十字线对应找正，卡牢，磨偏心外圆尺寸达到图纸要求。其余工序：由钳工取出毛刺，倒角。4.1.2注意事项： 因为零件用于传动，是关键件，它的使用寿命关系到整个泥浆泵的寿命，在选材上要选用优质合金铸钢，热处理手段至关重要，每一道工序都应仔细，认真操作。整个工艺流程中划线是主线，按线找正，因此，划线是非常重要的工序，在划线的工程中要仔细检查，每一步都要划的精、准。胎具在使用时，每一步都应该精修装卡面，每一步都要严格执行，认真修研，否则将会影响整个零件的精度。偏心距交大时，立车，立磨的切削速度不宜过高，否则应考虑用配重块平衡，以确保尺寸精度。成产实践证明，使用这种方法加工的偏心轮能够满足设计及使用要求，采用简单的胎具和普遍的车床就能保证偏心轮的精度要求，这种加工方法比较简单，易于操作。4.2 泵头体处理工艺按国内机械工程技术界的传统观点，对泵头体的处理工艺作了调质处理的规定认为钢中马氏体是硬而脆的组织，因而为了追求高塑性 高韧性，通过调质热处理使泵头体获得回火索氏体组织，称这种热处理工艺为 调质态工艺 按照“调质态” 工艺生产了两个泵头体，在通过台架试验后，进行了现场试验 其中一个累计连续运行434h，泵头体交变腔出现裂纹失效，其它机件运行正常另一个累计连续运行289h，T作压力为359MPa，泵头体交变腔上部开裂失效，其它机件运转正常“质态”工艺的泵头服投寿命未达到要求我国近几年来断裂力学的研究表明，低碳马氏体和高碳马氏体组织形态上的差异，主要是由于马氏体相变时的切变方式不同而造成的，而马氏体含碳量不同，反映在综合机械性能上，也有显著不同这样就可以通过改变工艺条件，控制马氏体的形态，从而控制其性能如AISI 4340钢(即40CrNiMoA 钢)在油液淬火条件下，断裂时表现了较大的塑性状态，而且试验表明，平面应变断裂韧性Ktc、一次冲击值CVN 和拉伸试验值均显示了较高的塑性基于以上认识提出了另一工艺方案，即采用油液淬火工艺获得马氏体组织，称为“淬火态”工艺。采用 “淬火态”工艺生产了2个泵头体，其中一个累计在现场连续运转245h，工作压力为383MPa，在交变腔下部开裂，其它机件运转正常。另一个累计在现场连续运转245h，工作压力357MPa，在交变腔下部开裂失效，其它机件运转正常。在半年多的时间内，先后裂了4个泵头。 调质态 工艺和 淬火态 工艺，无论出自传统观念还是吸收断裂力学的近期研究成果，其目的都是为了提高泵头体的强度。泵头体的连续开裂，提醒我们对旨在以提高强度为中心的技术思路进行反思，提出一个旨在提高疲劳寿命的工艺方案，称为“化学热处理” 工艺。按“化学热处理”工艺生产了两个泵头体，其中一个，对泵头进行高压生产试验，确定工作压力为37.8MPa，累计连续运转121l 未发生故障性停车和异常情况。另一个在现场试验，工作压力为374 401MPa,累计连续运转1418h无故障。两台试验泵均因地质原因停泵，双双突破了连续运转1000h的鉴定要求，以后一直沿用“化学热处理 工艺进行生产。按照旨在提高疲劳寿命的工艺方案生产泵头体取得了明显的实效。这种“ 化学热处理” 工艺是对一特定的中碳合金结构钢进行渗碳处理，控制渗层深度和碳化物级别，而后直接淬火、回火获得较高的表面硬度。通过热处理在工件表面或亚表面产生高的压应力，使工件表面形成均匀、完全的马氏体薄壳，又称为“薄壳硬化”处理。这种处理方式其实是一种预应力处理，能大幅度提高泵头体的抗疲劳性能， 从而可延长泵头体的服役寿命。4.2.1 泵头体的失效过程断裂有两种类型，一种是韧性断裂，即机件在受载过程中，经历弹性变形、塑性变形后断裂；另一种类型是脆性断裂，即机件受载发生弹性变形，但不显示宏观塑性变形，或宏观塑性变形很小就发生断裂 两种断裂类型比较起来，后一种危险性更大，因为脆断往往是突然发生，事先很难觉察。为了检验断裂失效原因，对泵头体应力状况进行了定量分析。用三维有限元程序，先后在M 一160和SIBER机上进行计算。为保证计算具有足够的精确度，取泵头的一半作网格划分，划分的原则是破坏处最密，离破坏处越远丽格越疏，由密而疏平缓过渡，共划分八层三条138个单元对网格的划分由计算机作出单元划分数检绘图计算机计算出的各结点应力值表明，位于三通相贯处的单元内应力较高，裂纹源处峰值应力235MPa,其余各单元的应力一般小于49MPa,高压腔一些单元的内壁应力也小于98MPa。根据三维有限元计算，裂纹源处峰值应力为235MPa,应力脉动最大幅度为147MPa。用扫描电镜观察断口的微观形貌特征，确定裂纹源和裂纹扩展途径，因此可以判定泵头体的断裂失效是由疲劳引起的。当然，这种应力较低的突然脆断的原因与泵头体内部存在的缺陷密切相关。缺陷可能是生产过程中产生的，如冶炼，铸造，锻压过程中产生的夹杂，气孔 白点等泵头体在运行过程中承受交变载荷时产生疲劳裂纹缺陷(裂纹)附近产生应力集中，由于泵头体体积大，弹性能量积蓄太，限制了塑性变形的发展，加上高速加载加压，以致在应力较低的条件下，裂纹尖端已经失去稳定而脆性扩展，突然开裂。泵头体的疲劳破坏经历三个阶段，即孕育期、裂纹扩张期和最后断裂。孕育期：泵头在交变载荷作用下，达到产生裂纹所需要的时间和交变周次，不论泵头体材料局部有无缺陷，均存在孕育期。原始材料细小缺陷程度不同，孕育期的长短有着较大差异。裂纹扩张期：在交变载荷作用下，从泵头裂纹的萌生开始到断裂前，裂纹由微观向宏观扩张这种扩张是裂纹的尺寸小于最后断裂时的I临界裂纹尺寸条件下缓慢扩张。断裂：外加载荷不变，随着裂纹的亚临界扩张，裂纹长度不断增长，裂纹尖端的应力强度因子K 值不断增加当裂纹的长度达到某一 临界裂纹尺寸az，裂纹尖端的应力强度因子K值便达到该材料在疲劳条件下的断裂韧性Ktc泵头裂纹快速“失稳扩张” ，泵头发生最后断裂。由此可知，疲劳寿命由形成裂纹的孕育期No。，疲劳裂纹的亚临界扩张速率da/dN ，以及最后断裂的临界尺寸 ac来决定 如图1所示4.2.2 影响泵头体服役寿命的主要因素断裂力学的研究成果表昵在裂纹体中，裂纹尖端应力场的强度可用裂纹尖端的应力强度因子K来描述。这样，自然可以想到，在交变载荷作用下的泵头体中的疲劳裂纹亚临界扩张，应力强度因子K也是一个很重要的控制参量。但是不同的材料，不同的热处理状态以及其它许多外在因素，对疲劳裂纹的亚临界扩张均产生影响。研究这些因素的影响，对于实施泵头体的合理选材，制定合理的热处理工艺和强化方法，尽可能改变疲劳裂纹的萌生位置，获得低的疲劳裂纹扩张速率，对延长泵头体的服役寿命具有明显的意义4.2.3 冶金因素(1)夹杂物：泵头体中的非金属夹杂物能促使裂纹扩张速率加快不易产生塑性变形的夹杂物对材料疲劳性能最有害。钢的纯度的作用在低应力(高寿命)疲劳中比高应力(低寿命)疲劳中太得多。因此，以央杂形式或白点出现的局部缺陷，就太有助于产生应力集中。断续的几何性质，基体与质点问界面的剥离或者第二相质点自身的破裂，都可以引起局部应变 因此钢的纯度严重地影确着疲劳强度图2所示为疲劳寿命与央杂含量的关系曲线 可以看到，夹杂含量增加时，疲劳寿命显著降低。(2)晶粒度：有关的研究结果指出，在相同的应力水平下，细晶粒时的疲劳条纹密，粗晶粒的疲劳条纹疏，晶界对疲劳裂纹的扩张有阻止作用，所以细化晶粒是提高疲劳抗力的有效途径。当邻近晶粒的屈服强度相继被超过时，较细晶粒也影响着相邻晶粒相互范性约柬的数量。在逐个晶粒滑移面上微观裂纹一旦开始，刚在阻止其发展中，晶界的作用也是重要的。在单个晶粒内裂纹的成长，要容易得多，因为它涉及的范性流变是沿单组滑移而进行的 但是裂纹穿过一个晶粒也通常要求沿另一组滑移面的范性流变，这组滑移面不一定和已经达到间界的裂纹一样处于对所加载荷那样有利的方向因此，在一定意义上，晶粒间界可能披视为裂纹的阻止者，如果已有一些裂纹起始，则细小晶粒意味着有更多的裂纹阻止者和更短的裂纹长度。4.2.4 表面强化表面强化处理的手段，主要有化学热处理、表面淬火、滚压，挤压，喷丸及复合热处理等 对于泵头体这样空间几何形状复杂的零件，一般表面强化处理难以奏效，我们采甩的“簿壳硬化”处理，就是通过热处理在工件表面或亚表面产生高的压应力。为了获得最佳的结果，必须整体加热，这是由于20 50 的压应力来自高温未硬化的心部，从硬化表面向内收缩的结果经过“薄壳硬化 处理的零件表面压应力经X 射线测定一般达980M Pa 以上，这是十分可观的数值造成如此巨大的压应力可用工件淬火时热应力反向和组织应力反向不同于一般热处理来解释。控制淬透性的铜进行薄壳硬化对，由于整体加热，冷却后期发生了热应力反向，给表层带来了较 的压应力。但从组织转变来看，只有表面薄层产生了马氏体转变，心部并采发生组织变化，因而只有冷却初期表面组织转变带来的残余压应力，没有热应力和组织应力的叠加，使表层获得了极高的残余压应力，同时出于淬硬层较薄， tl,部较厚，因而表层压应力显著高于心部的拉应力，这对泵头体疲劳抗力是非常有利的。4.2.5 机加工粗加工所产生的表面不规则，造成应力峰，粗加工也损害表层下一定深度的金属。使用于疲劳条件下的泵头体，必须进行精加工或磨加工。在钻孔时孔底切削面容易出现太面积撕裂而引起疲劳断裂。合适的磨加工能产生光滑的表面，没有诱生的残余应力或疲劳裂纹萌生的位置，但如果出现局部过热、烧伤，将导致局部回火，或局部形成未圆火马氏体，或形成磨削裂纹，这些对泵头体的疲劳强度是很不利的。1提高泵头体报役寿命的基础条件是改善泵头体钢材的冶金质量 如硫、磷含量应低于0 01 ，采用VHD精炼，真空度达3060kPa时通氩气，解除真空前加铝粒，钢锭红态进锻造，锻后红进退火，氧化物、硫化物不超过1级，塔形试验无发纹等。2提高泵头体服役寿命的关键条件是采用“薄壳硬化”处理，使泵头体工作表面获得高的压应力，其数值甚至超过泵头体材料的屈服限。采用此种工艺，对奥氏体转变时析出的碳亿铁级别应予严格限制3 提高泵头体服役寿命的重要条件是保证关键部位有较低的粗糙度，特别是交变腔圆弧和内外表面，以消除疲劳裂纹的萌生位置4泵头体应选择具有优良抗疲劳特性的钢材，不宜选用强度太高的材料 强度高的材料虽然能增大安全系数，提高强度储备，但强度提高了，断裂韧性降低了，反而增加了脆断的危险，更不安全5泵头体“薄壳硬化”处理过程中，由奥氏体向马氏体转变时，伴随着体积膨胀，产生拉应力。如果拉应力超过钢材的抗拉强度，则可导致淬火裂纹的产生，有时甚至放置一定时间以后产生置裂 4.3 缸套磨损机理研究，材料选择及结构设计 在实际生产中，泥浆泵是石油钻井工作台的“心脏”，缸套是泥浆泵的重要部件。由于工况条件恶劣(活塞冲次100 120次min，摩擦温升7O170 ，碱性pH 为91O，泥浆含砂量高)，缸套承受高压、高腐蚀和高磨损。普通缸套的内径磨损非常严重，缸套与活塞间的密封产生刺漏，压力降低，直至缸套报废。缸套是不可回用的一次性易损零件。其寿命的长短直接影响钻机的正常作业和钻井成本。缸套的频繁更换不仅严重浪费缸套，而且工人的劳动量很大，给井下安全造成了很大的隐患。据统计，平均每支钻井队每年消耗缸套约100200个。目前我国石油工业有一千多支外井队，这样，全国钻井队每年仅缸套消耗就超过1亿多元，而且更换费工费时。钻井泵修理工时约占1部钻机总修理工时的1/ 2。在钻1口井的总时间内,因钻井泵等设备的易损件寿命太低，而使所需的停机修理时间占到12 %15 % ，相当于1个井队每年少钻井1 5002 000 m。因此，提高缸套的使用寿命，可大幅提高钻井进尺。4.3.1 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 0.090.30 mm，硬度高达 HV7501 300。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耕刮擦的作用，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。4.3.2 材料选择图2 缸套结构简图目前使用的较多的是双金属缸套。结构如上图，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，具有较好的综合性能。其内层为高铬白口合金铸铁，高铬铸铁缸套失效的特点是：马氏体基体的磨损及凸出的碳化物的折断和脱落，交替发生直至失效。碳化物的折断和脱落是缸套磨损失效的主要机制，为了提高缸套寿命，必须控制碳化物的折断和脱落速率，优选合适的缸套表面硬度可有效地提高高铬铸铁套寿命。可采用离心浇注，经淬火+回火处理，获得马氏体+合金碳化物+残余奥氏体组织，硬度HRC6168 ，加工内衬内孔时尽量控制内壁加工余量小于5 mm ，以保留浇铸后的细晶区。双金属缸套的优点是抗腐蚀性,抗研磨性,很好的磨合性及工作表面的高光滑度；缺点是寿命较短，性能有待提高。可采用新型材料克服以上缺点。项目针对目前石油钻采设备中的抗磨零件材料的抗磨性能差，泥浆泵缸套的使用寿命短等问题而研发。在材料的研究中，舍弃目前国内、国外普遍采用的低钒合金钢、高铬白口铸铁等材料加工工艺复杂、成型能力差等缺点，改变传统泥浆泵缸套整体离心铸造技术和镶装式工艺，采用“稀土铁镍合金粉末材料”，利用“耐高温合金粉末粘结剂”，通过“离心涂敷”工艺方法在缸套基体内圆表面均匀附着稀土铁镍合金粉末层再通过“电磁感应成型”工艺手段，使合金粉末层牢固地和缸套基体结合为一体。缸套不需要热处理工艺手段缩短了制造周期降低了废品率，达到工件耐磨之目的。泥浆泵高性能缸套材料特点是：粉状材料(粒度在140320目之间)和缸套基体属冶金结合，结合强度好。铸态硬度高达HRC6065抗磨能力强、制造加工方便、产品质量稳定,耐磨层厚度可以调整。同时,还可根据零件不同的使用工况,可临时调整合金粉末成份达到工件抗磨蚀之目的。该材料除用于泥浆泵缸套还应用于泥浆阀体阀座石油钻杆耐磨环、抽油泵杆等耐磨零件。经实验对比，使用寿命比原有材料加工的零件相比提高了35倍。4.4 泵轴热处理要解决的问题如何保证运行过程稳定、实现批量生产目标，从技术角度必须解决以下三个问题。4.4.1感应器的设计感应器是保证感应淬火质量的重要器具。鉴于所需热处理参数不一样，为此专门设计了仿形感应圈。4.4.2 保护水套的设计轴各档淬火顺序是从下到上依次进行。由于偏心轮档的间隙很小，为了防止加热上面一档偏心轮时使其下面档边缘因加热而降低硬度，保护水套的合理设计是保证质量的重要前提。保护水套采用双层结构：上层为保护水部分，加热时自动开启以保护下方邻近已淬部位；下为淬火液部分，对加热部位进行自动喷液冷却。整个喷水圈位于感应圈下方，此水圈的位置可以手动调节，通过生产工艺验证确定其到感应圈的合适距离，再通过螺钉固定在支架上。4.4.3工艺过程的设计根据轴的材料和淬硬层深度要求，合理确定工艺过程中的加热参数。由于三种厚度不同的部位需要淬硬，且考虑到其位置特点，在加热过程中工件不旋转；轴承档采取扫描加热，工件旋转。4.4.4 工艺调试位置调试首先根据结构尺寸在程序中确定各档的位置，然后在确定感应器初始位置时进行粗调和微调。首先通过肉眼观察感应圈的位置及加热时的效果来完成粗调。粗调是关键的一步，粗调的质量直接影响到微调的难易程度、速度与成本。粗调完成后，对实物进行解剖，通过金相分析测定淬硬层的轴向分布情况，然后对感应器位置进行微调，从而使淬硬层沿轴向均匀分布。淬火介质及浓度的测试根据材料的成分选择了AQ25 1型有机淬火液。为保证该冷却介质既具有良好的冷却性能，又防止出现淬火裂纹，合适的浓度范围为10 15。加热时间的调试在加热功率与淬火液浓度确定的情况下，为了保证淬硬层深度达到技术要求，需要确定合适的加热时间，在满足技术要求的前提下，提高生产效率。4.5 泥浆泵轴表面热处理的方法泥浆泵的工作环境和条件恶劣，易损件就更多，更换次数就更快，泥浆泵泵轴就是其中之一泵轴作为轴类零件，有着多个尺寸要求和精度等级，加工复杂，费时费力;但普通泥浆泵泵轴的耐磨性太差，导致密封配合失效，经常损换，这两者之间的矛盾，迫使我们必须寻找一个好的解决措施，最后我们决定用泵轴表面热处理的方法来解决。4.5.1 表面热处理方式选择 热处理有着多种形式，包括退火、正火、淬火、回火、渗碳、氮化、渗金属等，根据实际需要选用了表面淬火的热处理方法。该方法的突出优点是:可以使表面获得高硬度和耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性;同时设备简单，成本低廉，对生产批量要求不高;并且工件没有体积限制，这对于处理泥浆泵泵轴类细长轴类零件尤为重要。4.5.2 火焰表面淬火工艺 火焰表面淬火，是将工件的表面用强热的火焰迅速加热到临界温度以上，并立即冷却，使其表面具有高的硬度，而心部具有足够的强度与韧性。 火焰表面淬火加热温度比普通淬火要高得多。这是因为火焰表面淬火时，加热速度极大(因火焰温度可达31500C);因而珠光体向奥氏体转变的温度范围愈高，奥氏体起始晶粒也愈小。所以，即使加热温度较高，仍然不会引起晶粒的长大，淬火后可以得到隐晶马氏体，而这种组织具有较高的机械性能。 火焰表面淬火有四种类型，分别是固定法、旋转法、推进法、旋转推进法。固定法是在一定时间内利用不移动的火焰喷嘴，加热不移动的工件的部分表面，待其达淬火温度，然后立即冷却。旋转法是一个或几个不移动的火焰喷嘴，对快速旋转(常用75-150转/分)的工件作一定时间的加热，使其表面加热到淬火温度，然后立即进行冷却。推进法是用具有一定移动速度的火焰喷嘴和冷却装置，沿不动或微动的工件依次进行加热和冷却。旋转推进法是一个或几个火焰喷嘴和冷却装置，以一定的速度沿快速旋转的工件移动，加热与冷却在工件表面伴随进行。4.5.3火焰表面淬火工艺制定方式选择:采用推进法，用两支火焰喷嘴，成畸角之势沿缓慢转动(45-60 r/min )的工件依次进行加热，待表面加热到淬火温度时，立即冷却。燃料选择:火焰表面淬火所用燃料主要有乙炔、天然气、焦炉煤气、石油气等;我们选用了乙炔氧气。喷嘴直线运行的速度确定:火焰作直线加热时，其前进速度可根据喷嘴火力的强度及工件的要求而定，我们采用的是200-300mm/min,工件准备:泥浆泵泵轴材料为45#钢，硬度为HRC20-25，先按各种规格要求进行初加工，留有精加工余量后备用。操作:淬火前需做必要的准备工作，包括选择整理场地，准备好淬火剂(我们采用的是循环水)，准备好工件淬火放置架，检查气瓶燃气是否足够，检查所有气路是否有漏气现象(采用肥皂水检查，禁止使用明火检查方法)，各个方面检查完毕后开始进行淬火:一人手持工件，放置在