超高壓磨料射流切割噴嘴表面強化技術研究

2020-05-29 13:24:20劉占鏖王俊姬孫慧銘鞠少棟王興旺

石油礦場機械 2020年3期

劉占鏖,王俊姬,孫慧銘,鞠少棟,王興旺

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

超高壓磨料射流切割技術是海上油田棄井和海上廢棄結構物安全高效切割回收的有效方式[1-2]。在切割過程中，噴嘴把混合磨料的流速由4 m/s加速到約700 m/s。由于混合磨料的超高壓力和流速對噴嘴的內部結構產生極大的沖蝕磨損，噴嘴在切割過程中容易損壞[3-6]。更換失效噴嘴的拆卸、安裝過程較為復雜，且耗費時間。因此，如何提高噴嘴的使用壽命是超高壓磨料射流切割技術研究的重點。

筆者設計了內嵌式噴嘴結構。為了提高材料的表面硬度和耐磨性能，開展噴嘴表面強化處理技術研究，制備表面類金剛石薄膜(DLC鍍膜)涂層。對該涂層的性能和表面形貌進行研究，與沒有鍍類金剛石薄膜涂層的噴嘴進行對比分析，從而對材料表面鍍類金剛石薄膜涂層的性能進行評估，以延長噴嘴的使用壽命。

1 內嵌式噴嘴結構

內嵌式高壓射流切割耐磨噴嘴結構如圖1所示，包括外部殼體和固定于外部殼體內部的噴嘴芯。噴嘴芯內設計有呈流線形狀的流道。流道分為3段，從左至右依次為曲線形收縮段、曲線形加速段和圓柱形穩(wěn)流段。

1—噴嘴芯；2—外部殼體。

噴嘴芯由純碳化鎢燒結而成，硬度大于95 HRA。外部殼體為碳化鎢硬質合金，硬度大于90 HRA。噴嘴芯和外部殼體通過熱等靜壓燒結工藝，使兩者通過粘結層固定連接。這種結構使得噴嘴芯得到了外部殼體的保護，并使噴嘴芯避免受拉應力，提高了噴嘴的整體力學性能。噴嘴芯的表面鍍類金剛石薄膜，其耐高壓和沖蝕磨損性能顯著提高。內嵌式噴嘴的性能參數如表1。

表1 內嵌式噴嘴性能指標

2 類金剛石鍍膜的制備

類金剛石鍍膜具有高硬度、低摩擦因數和高耐磨性等一系列優(yōu)良的性能[7-10]。本次制膜方法采用Ar/C2H2混合氣氛的離子輔助中頻非平衡磁控濺射法制備TiAlNC類金剛石鍍膜，設備如圖2所示。

圖2 類金剛石薄膜涂層沉積設備

圖3為鍍有類金剛石薄膜(DLC)的噴嘴樣塊和試樣，噴嘴內外表面鍍有TiAlNC涂層，涂層厚度為2～4 μm。

圖3 鍍DLC薄膜涂層的噴嘴

類金剛石鍍層的基本性能參數如表2。

表2 鍍有類金剛石涂層樣塊相關性能參數

3 鍍層力學性能試驗

3.1 硬度

硬度是類金剛石薄膜材料的一項非常重要的力學性能，其表征的是該材料的形變,也就是抵抗破壞的能力。采取不同的測量方法，測得的硬度值有所不同。本次采用壓痕法測量DLC薄膜的維氏硬度，其與無鈷碳化鎢硬度對比如圖4所示。

由圖4可知，有DLC薄膜鍍層材料的維氏硬度達到3 500 HV，大于無鈷碳化鎢的硬度。

圖4 無鈷碳化鎢(HV10)和DLC薄膜涂層(HV0.05)硬度

采用JSM7500型掃描電子顯微鏡對具有DLC薄膜鍍層的噴嘴表面進行微觀分析，同時與之前的燒結碳化鎢噴嘴(WC-0.2Co)進行對比，加速電壓為15 kV。進行微觀形貌掃描之前，先將樣品研磨拋光。圖5為放大倍率為10 000倍的掃描微觀形貌，在各自的溫度和壓力下，兩種試樣均表現(xiàn)出具有良好的晶狀結構，晶界清晰，晶粒尺寸細小而均勻。DLC薄膜涂層在掃描電鏡下觀察到的微觀結構致密性更高。

a WC-0.2Co

b DLC薄膜涂層

3.2 DLC鍍膜的摩擦磨損性能

采用摩擦磨損綜合試驗機對DLC鍍膜噴嘴試樣進行摩擦磨損試驗，該試驗在室溫、標準大氣壓下進行，試驗參數如表3。將測得的摩擦因數繪制成曲線，進行對比分析。

表3 摩擦磨損試驗參數

圖6為載荷50 N和200 N時DLC鍍層噴嘴的摩擦因數與時間關系曲線，加大載荷后，試樣的摩擦因數較為穩(wěn)定，且整體存在上升趨勢。表4是載荷為50 N和200 N時各組樣品的摩擦因數分析結果，DLC鍍層的摩擦因數較熱等靜壓燒結硬質合金噴嘴的摩擦因數小，由此判斷具有類金剛石鍍層噴嘴的耐磨性較好。