高硬度聚合物抽油桿接箍耐磨蝕性能試驗研究

薛敏鵬，張少春，高寧，張慧源

（1.山東省天然氣管道有限責任公司，濟南 250000；2.中國石油大學機電工程學院，山東青島 266580；3.中石化勝利油田勝利采油廠，山東東營 257061）

隨著油田進入高含水開發期，油井工況更加苛刻，管桿偏磨問題愈發突出，導致油管漏失、抽油桿脫斷現象不斷增加。抽油桿接箍的形狀不規則且外徑尺寸較大，易與油管接觸，所以偏磨問題的嚴重點都在接箍處。針對管桿偏磨現象，工程人員嘗試采用扶正器、井口旋轉器以及抽油桿防偏磨器等方法防止偏磨，但效果都很有限［1－2］。有人以管桿材料為研究對象，采用激光表面改性的方法，以提高管桿摩擦副的整體壽命［3］。

筆者在不改變抽油桿接箍材料的情況下，在普通抽油桿接箍外壁涂覆1層高硬度聚合物耐磨材料［4］，成功開發出一種新型接箍。為評價該接箍的現場應用價值，對其耐磨蝕性能進行測定。

1 試驗設備和方案

1.1 試驗設備

針對油管和接箍這種特殊的摩擦副，自行設計并制造了管桿磨蝕試驗機，以進行定性的磨蝕試驗研究。其工作原理如圖1所示，動力由電機提供，通過減速器帶動曲柄連桿機構轉動，從而實現管桿的往復運動。油管和接箍試樣的位置如圖1所示，其中接箍試樣采用正常的接箍，油管試樣為劈開的油管，實際裝置每次可同時進行2組對磨件試驗。

圖1 管桿磨蝕試驗機

1.2 試驗方案

磨蝕試驗選擇普通N80油管和內壁搪玻璃N80油管（如圖2所示）分別與新型接箍對磨，以模擬抽油井管桿摩擦副，并與45鋼接箍對比。接箍在油井下受到腐蝕和磨損的共同作用，為考慮腐蝕因素，選擇3.5% NaCl溶液作為腐蝕介質。通過觀察和分析不同摩擦副材料的磨損形貌和磨損率，研究它們的磨損情況，綜合評價新型接箍的耐磨蝕性能。

圖2 油管試樣

在進行接箍和油管對磨前，用手砂輪除去油管和接箍表面的鐵銹，丙酮擦拭除油，然后用無水乙醇擦拭，吹風機吹干，最后稱重并記錄。在試驗周期內每24h清洗、吹干、稱重1次，測量磨損失重。每組摩擦副做3次平行試驗，試驗結果取其平均值。試驗結束后用數碼相機對試件磨損后的表面形貌拍照記錄。

磨蝕試驗具體試驗條件：工作介質為3.5%NaCl溶液；室溫25℃；油管和接箍進行相對往復式運動；試驗機的往復頻率為30／min；每次沖程為100mm；試驗機轉速為600r／min；所加的側向載荷為1000N；試驗周期為120h。

1.3 磨蝕率計算

摩擦行程L為

式中：n為試驗機的沖次，min－1；S為試驗機的沖程，mm；t為試驗時間，min。

磨損量ΔW為

式中：W1為磨損前試件質量，g；W2為磨損后的試件質量，g。

磨蝕率Kw（g· min－1· m－1）為

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

管桿磨蝕試驗的磨蝕率結果如表1所示，其中1號 和2號、3號和4號分別是不同的2組試驗周期，具體材料如表1所示。為了比較直觀地分析，把磨蝕失重率制成直方圖的形式，如圖3所示。圖3中代碼對應表1中相應試驗號。

表1 不同摩擦副材料的磨蝕率 （10－5 g· min－1· m－1）

由表1和圖3可以看出：

1）由1、2兩組試驗結果可看出：與普通N80油管對磨時，新型接箍的磨蝕率約為45鋼接箍的1／3，即耐磨性為45鋼接箍的3倍；普通N80油管與新型接箍對磨時，N80油管的磨蝕率都有所降低，說明新型接箍能減輕對磨件的磨損。

2）由1、3兩組試驗結果可看出：新型接箍與內壁搪玻璃N80油管對磨時，新型接箍磨蝕率急劇增加到原來的2倍，說明該新型接箍不適合與搪玻璃材料組成摩擦副。

3）由2、4兩組試驗結果可看出：45鋼接箍與內壁搪玻璃N80油管對磨時，磨蝕率有一定的減小，說明45鋼更適合與搪玻璃材料組成摩擦副。

4）綜合以上結論可知：新型接箍與金屬材料（45鋼）、金屬材料（45鋼）與搪玻璃材料等異質對磨時，接箍和油管的耐磨性都較好。新型接箍和搪玻璃油管等性質相似的材料對磨時，接箍和油管的耐磨性都較差。

圖3 油管與接箍磨擦副磨蝕率

2.2 與普通N80油管對磨

接箍的磨損失重曲線如圖4所示，可以看出：相同的時間內新型接箍的磨損量遠小于45鋼接箍，且新型接箍的磨損量是平穩遞增的，磨蝕率隨時間有略微減小的趨勢。45鋼接箍磨蝕量約為新型接箍的3倍，摩擦曲線的斜率即磨損率很大且不穩定，在一定時間內磨損量很大。

與不同接箍對磨的普通N80油管的磨損失重曲線如圖5所示。新型接箍對磨油管的磨損失重較45鋼接箍對磨油管有一定減小，說明該新型接箍的材料不僅本身耐磨，而且對對磨油管的傷害較小，能減輕對磨副材料的磨損，有一定的減摩作用。另外，新型接箍對磨油管的磨蝕率較小，且呈減小的趨勢。

2種接箍磨損后的宏觀形貌如圖6所示。由圖6a可看出：45鋼接箍除常規的磨損外，還受到了嚴重的腐蝕，集中體現在接箍上有嚴重的銹蝕痕跡；由圖6b可以看出：新型接箍表面光滑，沒有明顯的摩擦痕跡和腐蝕現象。

圖4 接箍磨損失重曲線

圖6 接箍磨損后宏觀形貌

接箍磨痕磨損形貌如圖7所示。磨損5d后45鋼接箍表面有很多相互平行的粗深的梨溝。另外，考慮到鹽水環境，磨損產生梨溝，梨溝凸峰和凹谷的存在造成了電勢差，會加速電化學腐蝕的作用。腐蝕作用使金屬表面形成一定的“疏松層”，磨損過程中這一層更容易脫落，也加速磨損的作用。即腐蝕和磨損相互促進，共同造成了接箍的失效。新型接箍表面涂覆了1層耐蝕性較好的材料，耐蝕性更好。可以認為新型接箍的失效是單一的磨損作用下的失效，其失效速率也較慢。

圖7 接箍磨痕磨損形貌

綜合以上分析可知：與普通N80油管對磨時，新型接箍的耐磨性約為45鋼接箍的3倍；同時，新型接箍涂覆的材料能減小對磨材料磨損，對油管有一定的保護作用。

2.3 與搪玻璃N80油管對磨

新型接箍與不同材料油管對磨磨損失重曲線如圖8所示，可以看出：該接箍與搪玻璃油管對磨時，磨損失重是與普通N80油管對磨時的2倍，耐磨性不佳；另外，此時的磨蝕率也很大，說明該新型接箍不適合與搪玻璃材料組成對磨副。

45鋼接箍與不同材料油管對磨的磨損失重曲線如圖9所示，可以看出：45鋼接箍與搪玻璃N80油管對磨時，磨損量和磨蝕率都稍小，耐磨性略好。

經過以上分析可知，該新型接箍不適合與搪玻璃油管對磨。再結合圖9的結論可推斷：該新型接箍適合與金屬材料組成對磨副，不適合與搪玻璃、聚合物等材料組成對磨副。

圖8 不同條件下新型接箍的磨損失重曲線

圖9 不同條件下45鋼接箍的磨損失重曲線

3 結論

1）與普通N80油管對磨時，新型接箍的耐磨性約為45鋼接箍的3倍，且該新型接箍能減輕對磨油管的磨損，對油管有一定的保護作用；與內壁搪玻璃N80油管對磨時，新型油管的耐磨性僅比45鋼接箍略好，無明顯優勢。

2）該新型接箍由于表面涂覆1層聚合物性質的材料，適合與金屬材料組成對磨副，不適合與搪玻璃、聚合物等材料組成對磨副。

3）根據試驗結果和分析，建議將該接箍使用在與普通金屬油管對磨的工況，尤其適合腐蝕較嚴重的條件。

［1］孟祥海，孫軍，錢秀麗.抽油桿住綜合防偏磨技術［J］.石油鉆采工藝，2003，25（6）：37－40.

［2］劉峰.復合抽油桿懸繩裝置的研制［J］.石油機械，2005，33（7）：61－62.

［3］張光明，王勇，韓彬，等.激光表面改性油管與接箍磨損配合研究［J］.潤滑與密封，2010，35（4）：85－89.

［4］魏斌.碳鋯復合樹脂內涂層油管技術研究［J］.石油機械，2009，37（3）：8－15.