不同高溫漿體中螺桿鉆具定子襯套的摩擦規律

韓傳軍　鄭繼鵬　張　杰　陳　飛

西南石油大學，成都，610500

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不同高溫漿體中螺桿鉆具定子襯套的摩擦規律

韓傳軍鄭繼鵬張杰陳飛

西南石油大學，成都，610500

摘要：定子橡膠襯套的磨損易導致螺桿鉆具工作效率降低或過早發生失效。為研究鉆井工況下橡膠襯套的摩擦磨損特性，對定子橡膠襯套在干磨狀態以及不同漿體介質中的狀態進行了摩擦學試驗，并對橡膠磨損量進行稱量。試驗結果表明：在干磨和各漿體介質中,中低載荷和低轉速情況下，橡膠的摩擦因數隨著載荷和轉速增大而減小，橡膠的磨損量隨載荷和轉速的增大而增大；在漿體介質中，橡膠磨損量隨泥漿密度的增大而增大。襯套的磨損機理主要表現為滯后磨損、氧化降解和微切削作用磨損。

關鍵詞：螺桿鉆具;定子襯套;摩擦磨損;失效;泥漿

0引言

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力，把液壓能轉化為機械能的容積式井下動力鉆具，具有功率大、長度小、壓降高、效率高等優點，廣泛用于定向鉆井、深井鉆井以及修井等行業[1-3]。

螺桿馬達是螺桿鉆具的核心部件，其主要組成部分為馬達轉子和定子襯套，其中，馬達轉子為鋼制的螺桿，定子由鋼套和澆鑄硫化在鋼套內壁上的橡膠襯套(主要材料為丁腈橡膠)組成[4]。工作過程中，定子襯套的變形不但影響螺桿鉆具的工作效率，還影響其力學性能[5]。橡膠的耐熱性較差，工作過程中，地層溫度較高，轉子與定子之間的摩擦生熱，加速了橡膠的溫升，使橡膠的物理性能發生改變，進而影響其工作性能，使其工作效率降低[6-7]。高溫摩擦加速了定子橡膠結構的疲勞破壞[8-10]，導致定子橡膠過早失效，使用壽命縮短。不少學者對螺桿鉆具定子襯套進行過研究，如韓傳軍等[2]對螺桿鉆具等壁厚襯套進行了力學性能的分析，鄭華林等[9]設計了一種新型的等壁厚定子襯套并進行了力學性能分析。以上學者只是在簡化工況下，從仿真方面對定子襯套的力學性能進行分析，并未深入研究定子橡膠的磨損機理。

為研究橡膠襯套的摩擦磨損機理，本文開展高溫泥漿介質下定子襯套與轉子的摩擦磨損試驗，研究定子襯套高溫、轉速、法向載荷對橡膠襯套摩擦磨損的影響。

1試驗材料和裝置

試驗裝置為MDW-100微型控制立式多功能摩擦磨損試驗機。采用大銷盤摩擦副方法進行試驗，試驗過程中實時觀察試驗介質溫度、摩擦因數、摩擦力、扭矩等參數。

試驗方法：將定子橡膠試件固定在調速裝置底端，將鋼件固定在加載裝置上部的凹槽里，如圖1所示。通過加載裝置使橡膠試件和鋼件表面接觸，形成摩擦副，通過電機將不同轉速施加給固定在其底端的橡膠試件，實現運動摩擦。同時，在加載裝置外部安裝鋼筒，鋼筒高出安裝鋼件30 mm，以保證摩擦磨損試驗中橡膠和鋼件接觸部位能夠完全浸沒在泥漿中。

圖1　試驗裝置示意圖

試驗材料：試驗用鋼件為表面鍍鉻的45鋼，其尺寸為外徑54 mm，內徑38 mm，厚度10.5 mm。為方便試驗順利進行，將橡膠硫化在50 mm的鋼質圓盤上，結構如圖2所示。試驗定子橡膠主要物理性能如表1所示。

圖2　試驗試件圖

主要物理性能經驗標準值丁腈橡膠邵氏A型硬度(度)65±572拉伸強度(MPa)≥1222.5斷裂伸長率(%)500±50579200%定伸強度(MPa)≥8.511撕裂強度(kN/m)30～5063

試驗介質：33-4#泥漿(水基)、505#泥漿(油基)、33-4#泥漿與潤滑劑的混合物、505#泥漿與潤滑劑的混合物。其中，33-4#泥漿密度為1.924 g/cm3，505#泥漿密度為2.196 g/cm3，潤滑劑與混合物的質量比均為1.5%。

2試驗方法

多頭螺桿鉆具的輸出轉速為90～180 r/min；不同井段的工作環境溫度不同，環境溫度隨著井段的加深而升高(升高梯度約為3℃/100 m)。工作過程中，由于鉆井液的存在，螺桿鉆具在不同井段的工作壓力不同，井層越深，壓力越大。螺桿鉆具定轉子之間采用過盈配合，因此，定子襯套不但受到鉆井液的作用，還承受轉子的摩擦力和擠壓力。依據其工作特性，通過轉化分析，得到不同介質中定子橡膠摩擦磨損試驗條件：試驗環境溫度為75 ℃；施加法向載荷分別取90 N、120 N、150 N；試驗轉速分別取100 r/min、150 r/min、200 r/min；將橡膠試樣在干磨以及不同漿體體系中進行摩擦磨損試驗。為保證試驗結果的準確性，在試驗溫度恒定情況下，對同等載荷、同種介質、相同轉速條件下的磨損進行3次試驗(總共進行135組試驗)，對試驗所得的數據進行處理，取同等條件下的3組試驗數據的平均值為最終試驗結果。試驗結束后，對橡膠試件進行清洗，利用超聲發生器裝置以及石油醚材料，將橡膠表面的泥漿、油污等污物清洗干凈，然后放置干燥。干燥完后，用電子天平(精確到0.01 mg)測量橡膠磨損量，采用電子顯微鏡觀察試驗后橡膠表面的磨損形貌。

為排除因橡膠試樣表面粗糙度不同產生的影響，在試驗前，對橡膠試樣表面進行預研磨，使試樣表面粗糙度盡量一致，保證試驗結果的準確性。

3試驗結果及分析

3.1干磨條件下定子橡膠的摩擦磨損特性

75 ℃環境下，法向載荷和轉速對定子橡膠的摩擦磨損影響如表2、表3所示。干磨過程中，橡膠與鋼件的接觸界面產生大量摩擦熱，導致橡膠表面發生軟化效應[11]。從表2可知，在轉速恒定的干磨條件下，定子橡膠的摩擦因數隨著法向載荷的增大而逐漸減??；法向載荷恒定時，定子橡膠的摩擦因數隨著轉速的增加而逐漸減小。由于試驗過程中，加載的法向載荷較小且轉速較低，故認為環境溫度恒定時，在中低載荷和中低轉速下，定子橡膠的摩擦因數隨著載荷和轉速的增大而逐漸減小。從表3可知，橡膠磨損量隨著法向載荷和轉速的增大而增大；轉速越高，法向載荷越大，橡膠磨損量越大。表3中，法向載荷150 N、轉速200 r/min條件下，磨損量最大，為2.10 mg。橡膠的導熱性極差，隨著轉速增加，摩擦產生的熱量增多且無法及時排出，橡膠表面因溫升發生氧化降解反應，導致表面發生熔融現象，在橡膠表面形成熔融層。熔融層具有一定的潤滑作用，導致摩擦因數減小。同時，形成的熔融層不斷地被撕裂磨損，往復循環，使橡膠不斷被磨損。磨損機理上主要表現為滯后磨損[12-13]。

表2　不同載荷和轉速下的摩擦因數

表3　不同載荷和轉速下的磨損量　mg

3.2不同漿體中定子橡膠的摩擦磨損特性

75 ℃的環境溫度下，不同漿體中，法向載荷和轉速對定子橡膠摩擦磨損影響如圖3所示。由圖3可知，在取樣時間內，各漿體的摩擦因數在某一值附近上下浮動，基本保持穩定。其中，505#泥漿的摩擦因數最大，其次為505#泥漿與潤滑劑混合物的摩擦因數，33-4#泥漿與潤滑劑混合物的摩擦因數最小。

(a)90 N，100 r/min

(b)90 N，200 r/min

(c)150 N，100 r/min

圖3不同漿體中定子橡膠摩擦因數變化情況

由圖3a、圖3b可知，在法向載荷恒定的同種漿體中，定子橡膠摩擦因數隨著載荷的增大而減小。由圖3a、圖3c可知，在轉速恒定的同種漿體中，定子橡膠摩擦因數隨載荷的增大而減小。此種條件下，橡膠摩擦因數的變化與干磨條件下橡膠摩擦因數的變化趨勢相符。與干摩條件下橡膠摩擦因數相比，漿體中的橡膠摩擦因數較小，主要原因是漿體中含有液體，除此之外，個別漿體中還含有潤滑劑。在試驗過程中，漿體與潤滑劑會在橡膠和鋼件接觸部位形成一層潤滑膜，潤滑膜減小了橡膠和鋼件之間的作用力，導致橡膠摩擦因數減小。從含潤滑劑的漿體與未含潤滑劑的漿體對比可知，潤滑劑能夠起到一定的保護作用。505#泥漿和33-4#泥漿的摩擦因數相差較大的主要原因是：①前者為水基泥漿，后者為油基泥漿，油的潤滑作用比水的潤滑作用好；②前者所含有的固相(砂粒)濃度比后者的大，固相(砂粒)對橡膠表面具有微切削作用，固相(砂粒)的含量越高，對橡膠表面微切削力也就越大，固相(砂粒)在鋼件表面滑動和滾動時受到的阻力也相對增大，因此摩擦因數增大[14-15]。

由圖4可知，轉速一定時，磨損量隨著法向載荷的增大而增大；法向載荷一定時，磨損量隨著轉速的增大而增加。橡膠磨損量曲線在兩種泥漿中的變化趨勢相似，橡膠在505#泥漿中的磨損量(最大磨損量為1.3 mg)大于在33-4#泥漿中的磨損量(最大磨損量為1.167 mg)。由泥漿密度可知，505#泥漿密度高于33-4#泥漿密度。結合泥漿密度以及橡膠磨損量分析數據可知，隨著泥漿密度的增大，橡膠的磨損量增大。磨損機理上表現為：①運動過程中，固相(砂粒)在橡膠表面產生微切削力，使橡膠表面發生變形和撕裂；②運動過程中，摩擦產生的熱量使橡膠表面發生氧化降解，并形成熔融層。融熔層被磨損掉時，受切削力以及摩擦熱影響，新的融熔層會出現，此過程重復出現，往復循環，使得橡膠磨損。

(a)33-4#泥漿

(b)505#泥漿圖4　定子橡膠在泥漿中的磨損量曲線變化圖

3.3SEM形貌分析

試驗溫度75 ℃、法向載荷100 N、轉速150 r/min條件下，橡膠在干摩擦和505#泥漿中磨損后的表面形態如圖5所示。圖5a所示為干摩擦條件下，試驗結束后定子橡膠的表面形態，橡膠表面有明顯的不連續裂痕，并且表面呈現層狀分布的輕微卷曲，與其磨損機理相符，說明橡膠表面形成的融熔層逐漸被撕裂磨損掉。圖5b所示為505#泥漿中試驗后定子橡膠的表面形態，表面劃痕明顯，且呈不規則分布，表面有很多明顯凹坑。主要原因是橡膠與鋼件相對轉動時，泥漿中的不規則固相(砂粒)受法向載荷作用，在橡膠表面沿滑動方向運動，并對橡膠表面產生切削作用，同時，固相顆粒還存在滾動，二者共同作用導致橡膠表面沿滑動方向被犁削磨損。此過程往復循環，砂粒的滑動摩擦和滾動摩擦導致橡膠表面不斷被切削磨損掉，形成如圖5b所示的形貌。

(a)干摩條件下橡膠的表面形貌

(b)505#泥漿條件下橡膠的表面形貌圖5　不同實驗條件下定子橡膠的表面形貌

4結論

(1)在高溫環境、中低轉速、中低載荷作用下，定子襯套的摩擦因數隨著轉速和法向載荷的增大而減小。定子襯套的磨損量隨著轉速和載荷的增大而增大，隨著泥漿密度的增大而增大。

(2)干摩擦的磨損機理主要表現為滯后磨損。高溫泥漿中，橡膠與鋼件發生相對運動，固相(砂粒)導致橡膠表面形成不規則的劃痕以及凹坑，其磨損機理主要表現為：摩擦產生的熱量使橡膠表面發生氧化降解，形成熔融層，融熔層不斷被撕裂和磨損掉，新的融熔層出現，再被撕裂磨損掉，此過程循環往復；固相(砂粒)的微切削作用，使橡膠表面不斷發生變形，撕裂，此過程往復循環，定子橡膠最終因氧化降解和切削作用被磨損掉。

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(編輯張洋)

收稿日期：2015-10-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51474180)

中圖分類號：TE921

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.018

作者簡介：韓傳軍，男，1979年生。西南石油大學機電工程學院副教授、博士后研究人員。主要研究方向為石油礦場機械現代設計、制造及仿真。發表論文30余篇。鄭繼鵬(通信作者)，男，1990年生。西南石油大學機電工程學院碩士研究生。張杰，男，1987年生。西南石油大學機電工程學院博士研究生。陳飛，男，1989年生。西南石油大學機電工程學院碩士研究生。

Friction Regularity of Screwdrill’s Stator Lining in Different Hot Muds

Han ChuanjunZheng JipengZhang JieChen Fei

Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

Abstract:The abrasion of the stator rubber lining easily led to the premature failure of the screw drill and lower efficiency. The tribological experiments of the stator rubber lining were carried out in dry mill state and different muds to study the friction and wear characteristics of rubber lining in drilling conditions, and the rubber wear was measured by using electronic measuring scales . The results show that: under low load and speed conditions, the friction coefficient of the rubber decreases with the increase of the load and the speed in each slurry and dry grinding medium. The amount of wear of the rubber increases with the increase of load and speed; in mud medium, the amount of wear rubber also increases with the increase of mud density. The wear mechanism was mainly affected by lagged wear, oxidation degradation and micro-cutting action wear.

Key words:screwdrill; stator lining; frictional wear; failure; mud