摘要：近年来，我国的钻井开采越来越多，钻井泥浆泵液缸的应用也越来越广泛，本文针对某钻井泥浆泵液缸发生的开裂事故，通过宏微观形貌分析、化学成分分析、力学性能试验、金相分析及泥浆介质分析等方面进行系统的失效分析。结果表明：液缸C含量的过度增加，提高了液缸的强度、屈强比和硬度，但降低了其塑性和韧性，液缸Ni含量的降低，进一步降低了钢材的耐腐蚀性。钻井泥浆泵液缸流道经补焊后，存在大量焊接气孔和夹渣等焊接缺陷，导致缺陷部位局部应力集中；泥浆介质pH值为9.02，且富含氯离子和碳酸盐。泥浆泵液缸在工作压力、腐蚀介质等因素综合作用下发生起始于焊接缺陷的应力腐蚀开裂。最后根据失效原因，提出了相应的预防措施。
关键词：钻井泥浆泵；液缸；开裂；失效分析
引言
在钻井过程中，摩擦阻力是影响进度的最大影响因素，也是目前面临的重大技术难题。钻井过程的摩擦阻力大大降低了钻压传递的效率，加快了设备的损耗速度，并且易引起事故。引起钻井摩擦阻力的原因有很多：钻井过程中，井的角度的改变，增加了井壁与设备的压力，从而摩擦阻力增大；当液柱压力与地层的压力相差很大时，就会引起卡钻现象；清理过程的不当，就会使井壁和井研处留有杂质，从而增大钻井的难度；如果钻井的周围压力不同，就会使井眼形状发生变化，从而增大阻力。
1钻井现场泥浆泵液力端故障判断系统概念研究
现阶段我国大部分在用钻井现场泥浆泵液力端都不具备主板通讯口，即使具有通讯口，钻井现场泥浆泵液力端厂家通常也不会将通讯协议向客户公开，因此想要实现对钻井现场泥浆泵液力端运行实时状态的掌握，只有额外加装独立的传感器，对钻井现场泥浆泵液力端运行参数信号进行采集。需要特别注意的是，在加装独立传感器时，必须保障传感器的采集方式不会对钻井现场泥浆泵液力端现有的机械结构和控制电路造成影响。钻井现场泥浆泵液力端运行参数采集和故障远程报警终端能够和所有类型的钻井现场泥浆泵液力端形成良好的契合。在具体运行的过程中，通常是通过互联网将此终端和钻井现场泥浆泵液力端远程监控中心连接起来，这样以用户只需在远程监控中心登录网络管理平台，就可以获取钻井现场泥浆泵液力端的实施运行状态信息，以此实现对钻井现场泥浆泵液力端运行安全的远程监管。一旦钻井现场泥浆泵液力端发生故障，工作人员就可以在第一时间作出反应，安排检修或是救援活动。在进行监控电路布线设计的过程中，必须基于简单便捷的原理，同时还需保障监控数据的完整性和精确性，因此必须保障布线设计的合理性。
2钻井泥浆生产装置的原理与技术参数
1）重晶石粉给料输送系统原理。重晶石粉由铲车加入到料斗中，料斗内的栅栏对包装袋、砖头等大块杂质进行过滤。通过调整料斗下出口的开关度，调整系统总体给料量。石粉再经过振动给料机的精过滤和均匀供料后，由裙边皮带机提升至振动下料斗，并匀速提供给混配器，完成混配前的给料输送过程。在给料输送过程中，由于重晶石粉具有比重大、吸湿性强的特性，易于设备内部粘结，造成阻塞，所以采用了相对开放性的裙边皮带机进行提升输送，避免使用斗提机、螺旋输送器等设备，并且在每一垂直下料处均加装振动电机。2）重晶石粉混配系统原理。在混合过程中，混料循环泵将混料罐中的轻泥浆打入到混配器中形成射流，与振动下料斗中落下的石粉充分混合后，重新回到混料罐中。通过不断的循环混合，石粉逐渐加入到泥浆中，直至达到要求浓度。在此过程中，混料罐顶部的减速搅拌机不停旋转搅拌，使泥浆比重更均匀，避免沉积。3）泥浆输出系统原理。混料罐中的泥浆达到要求浓度后，停止混料循环和石粉输送，通过改变泥浆管线中的工艺流程电磁阀，用泥浆泵将泥浆通过出料管线输送到储存中。如果输送距离适合，出料泥浆泵与混料循环泵共用一台泥浆泵，通过流程电磁阀实现不同功能。4）技术参数。混料罐实际容积8m3，有效容积6m3；裙边皮带机宽度500mm，挡边高120mm，间距252mm，输送系统最大输送量20m3/h；泥浆泵37kW。混合后成品泥浆密度为1800~2000kg/m3，额定泥浆输出量36m3/h。
3案例
某钻井泥浆泵在一次检修时发现其液缸流道表面存在大量肉眼可见的裂纹，严重影响了泥浆泵的安全生产。该泥浆泵是EMSCO公司生产的FB-1600型钻井泥浆泵，其液缸有过补焊记录，液缸的结构如图1所示。FB-1600型钻井泥浆泵液缸采用的是AISI8630材料，焊材采用的是高铬-镍合金钢。该泥浆泵的设计泵压是34.5MPa，正常运行工况下，其最大工作压力是17.24～22.06MPa。该泥浆泵液缸裂纹主要分布在流道表面的补焊处和变径处。对液缸补焊和变径严重的部位进行取样分析，编号为1#样和2#样。再在1#样和2#样上取拉伸样、冲击样、扫描电镜样和金相样，作进一步分析。
4失效原因综合分析
从液缸材质及力学性能方面分析，液缸C含量的过度增加，提高了液缸的强度、屈强比和硬度，但降低了其塑性和韧性，使得钢材的焊接性能、抗击晶间腐蚀、变形、断裂的能力降低。液缸Ni含量的降低，进一步降低了钢材的耐腐蚀性。液缸材质为低合金钢，焊材为Cr-Ni不锈钢，焊接产生大量焊接气孔及密集型微气孔等缺陷，且焊接熔合效果差。焊后热处理不到位，导致热影响区金相组织分布不均匀，偏析严重，降低了热影响区的机械性能和耐腐蚀性能。从工况方面分析，泥浆介质中含有大量SiO2、氯化物、碳酸盐，其中氯离子含量高达)48.79mg/g（48790ppm），泥浆介质PH值为9.03，呈碱性。SiO2属于硬质相，会磨损流道表面，破坏表面保护膜。高浓度氯离子的存在，在一定条件下会造成Cr-Ni不锈钢发生晶间腐蚀以及焊材与母材间的电化学腐蚀。在PH＞9.0的环境中和拉应力作用下，碳酸盐溶液会导致低合金钢在焊接接头处发生开裂。综上所述，液缸C含量的增加和Ni含量的降低，降低了液缸的耐腐蚀性。焊接产生了大量气孔等缺陷，导致了应力集中，热影响区组织偏析严重，降低了耐腐蚀性能。
结束语
综上所述，针对失效原因，主要提出以下建议：（1）严格按照AISI8630材料标准，控制液缸含C量和Ni元素含量，提高液缸材质的抗腐蚀性能和焊接性能。（2）优化焊接工艺，确保焊接质量，严格控制预热温度、焊接电流、焊接速度等关键焊接参数，避免由于焊接电流过大、电弧过长、运丝速度过快等因素造成焊接气孔的产生；补焊之后要做高温回火热处理，消除焊接残余应力，使金相组织分布均匀，提升热影响区的机械性能和耐腐蚀性能。（3）对泥浆介质中的卤素离子和碳酸根离子进行净化处理，降低其在泥浆溶液中的含量，减小其对液缸材料的腐蚀。
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论文作者:梁,锋,
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
标签：泥浆泵论文; 泥浆论文; 现场论文; 液力论文; 金相论文; 含量论文; 料斗论文; 《科学与技术》2019年第06期论文;