海洋钻井泥浆泵冷缸失效分析及技术探讨

1、    海洋钻井泥浆泵冷缸失效分析及技术探讨    邓展摘 要：泥浆泵冷缸作为泥浆泵液力端的主要组成部件之一，冷缸的失效直接导致泥浆泵无法正常工作，不仅使钻井作业被迫停工，给工程造成巨大的麻烦和损失，而且对钻井人员形成巨大的安全隐患。本文从泥浆泵冷缸应力腐蚀开裂的三方面因素，从材料热处理、介质净化、冷缸结构优化等方面提出避免或减少冷缸发生应力腐蚀开裂的建议。关键词：钻井泥浆泵；冷缸；研究现状；技术理论；失效分析一、钻井泥浆泵的发展概述及失效研究早期的典型泥浆泵是双缸双作用泵，但是这种结构的泥浆泵流量和压力波动大、传动效率低、重量重、体积大，不能满足恶劣的

2、钻井工作环境，特别是海洋钻井平台的需要。但是钻井泥浆泵的失效问题却从未终止，很多钻井泥浆泵在使用寿命内失效。主要影响因素是温度过高，散热不好，引起密封圈老化，密封材料丧失性能，其次是钻井液等颗粒的进入，对密封面进行不断的磨损，导致密封圈损坏，建议从密封圈的材料、结构设计、组合数量以及冷却装置等方面进行技术改进来提高高压钻井泥浆泵柱塞密封的性能和使用寿命。二、失效分析理论及技术失效分析是对金属构件在特定工作环境下发生意外的一个认知过程，涉及到很多领域，借助多学科交叉分析，找出失效原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促使与之相关的各项工作的改进。失效分析的主要理

3、论可分为三大方面：1、失效机理理论失效机理理论是揭示各类失效形式的形成过程以及相应的物理、化学本质，研究温度载荷、应力载荷和环境介质等外部因素对金属构件和设备失效过程所产生的作用。常见的失效机理理论有：变形失效机制、断裂失效机制、磨损破坏失效机制、疲劳失效机制、腐蚀失效机制、复合损伤失效机制。2、失效力学理论失效力学理论主要包含断裂力学、最大正应力理论、最大剪应力理论、莫尔失效理论、畸变能理论、最大应变能理论、最大正应变理论等。3、失效形貌理论形貌分析通常分为宏观分析和微观分析两种形式，宏观分析一般作为初步判定，微观分析则是对宏观分析结果作进一步补充和确认。常见的失效形貌理论有：解理花样形貌理

4、论、准解理花样形貌理论、河流花样形貌理论、韧窝花样形貌理论、穿晶断裂形貌理论、沿晶断裂形貌理论、河流花样形貌理论、疲劳弧线形貌理论等。三、失效分析领域应用的技术手段近年来在疲劳失效定性研究的基础上，疲劳失效定量研究也得到了较大的发展。目前在失效分析领域应用的技术手段主要包括：断口分析、化学成分分析、金相检验、力学性能试验、计算机辅助技术、失效评估技术、无损检测技术等。1、失效断口形貌分析断口是金属构件材料在日常使用过程中发生断裂后形成的可以相互匹配的表面形貌特征的统称。断口形貌如实的记录了金属构件断裂前所受实际的外在载荷及工作环境作用产生的微观形貌特征，通过断口形貌分析，可以解读出裂纹从起源到

5、最终瞬断过程的全部信息，对金属构件断裂失效的准确分析起着重要作用。断口是断裂失效的主要残骸和物证，是断裂失效诊断的主要依据，是破译断裂失效原因的“密钥”。断口分析在金属构件失效分析中具有重要性、全息性、唯一性、信息可分析性、分析适用性等特点。2、化学成分分析材料的化学成分是决定其性能的主要因素。在失效分析过程中，常常采用定性或定量的检测方法对失效金属构件的元素组成、氧化物、夹杂物、腐蚀物、第二相等进行化学成分检测分析，将化学成分检测分析结果和材料标准化学成分组成与含量对比，可以判断材料化学组成是否达标，有害元素含量是否超标等。3、力学性能试验力学性能是指材料在外力作用下或者外力与环境共同作用下

6、所表现的行为，宏观上主要表现为金属的变形和断裂。常见力学性能试验包括：冲击试验、拉伸试验、硬度试验、壓缩试验、磨损试验、扭转试验、断裂试验、疲劳试验等。通过这些试验可以测试材料的强度、韧性、塑性、耐磨性和缺口敏感性等力学性能是否满足标准。力学性能测试的方法均已标准化，按照国家标准规范执行。4、失效评估技术失效评估技术是一中多领域的失效分析技术，其内容囊括了材料科学、无损检测、力学、可靠性工程与评价、风险分析等。失效评估技术在平衡产品的经济效益、使用性能和维修性能三者关系的基础上，在特定的工作环境下，尽可能长的设计寿命内，进行产品系统或子系统功能、缺陷或危险程度的安全性评估，将产品失效的概率降到

7、最低。5、无损探伤检测技术无损探伤检测技术是一种在不破坏金属构件结构、物理、化学特性，保持其完整性的情况下，检测其表面及内部损伤情况的技术，也称为非破坏性探伤检测技术。无损探伤检测具有非破坏性、全面性、全程性、可靠性等显著特点。常见的无损探伤检测方法有x射线成相检测、超声波脉冲反射检测、液体渗透显相检测和磁粉磁化检测。其他的无损检测方法有涡流检测、热像、红外、声反射检测、交流场测量技术、漏磁检测、远场测试检测方法等。在失效分析中，无损检测可以准确判断出被检测对象是否存在缺陷或不均匀性，并能给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。四、总结研究确定了钻井泥浆泵的应力腐蚀开裂失效机理及其相关影响因素，

8、但仍存在一些问题需要量化改善；泥浆溶液为冷缸腐蚀开裂失效提供了腐蚀环境，但未能确认出不同种类、不同浓度的离子对冷缸应力腐蚀开裂影响的大小，望在以后的实验研究中，得到离子浓度-温度-速率关系图表；在对冷缸母材切样破坏之前，应对冷缸流道补焊处进行残余应力测试，以便对流道残余应力有限元模拟计算进行验证；同时优化冷缸锻造后的热处理工艺，控制好调制处理的温度和时间，适当降低冷缸材料的抗拉强度和屈强比，提高冷缸材料的塑性和韧性；适当降低泥浆泵冷缸材料的含碳量，降低钢材的含碳量一方面可以降低材料的屈服强度和抗拉强度，增加材料的韧性和塑性，另一方面降低了钢材发生晶间腐蚀的倾向。定期对泥浆泵冷缸进行超声波等无损探伤，尽早发现问题，解决问题，避免事故的发生。参考文献1控压钻井中两步关阀阀芯所受瞬变压力研究j.孔祥伟，林元华，邱伊婕.应用力学学报.2014（04）2微流量控压钻井中节流阀动作对环空压力的影响j.孔祥伟，林元华，邱伊婕.石油钻探技术.2014（03）3基于密封性能要求的超深井钻柱极限提升力的确定j.