固井压裂泵受控喷丸强化工艺.pdf

石油天然气学报2012年2月第34卷第2期
304?
Journal of Oil and Gas Technology Feb 2012 Vol 34 No. 2
固井压裂泵受控喷丸强化工艺
王海(中石化江汉石油管理局第四机械厂,北荆州434024)
[摘要]探讨了固井压裂泵受控喷丸强化工艺及其在固井压裂泵制造中应用。依靠强化表面组织结构,该
工艺能使金属表面层发生较明显的显微组织结构变化,获得有利于改善机械零件性能的表层组织结构和残
余压应力场,改变和提高泵体内部的应カ腐他和疲劳断裂抗カ,使泵的综合疲劳强度明显提高,大大延
长其抗波芳寿命。
关键词]固井压裂泵;受控喷丸;强化工艺;残余压应力;机械制造
中图分类号]TE925
文献标识码
文章编号]1000-9752(2012)02-0304-02
固井压裂泵是在多种交变和高载荷条件下工作的,使用寿命极不稳定,在一定时间使用后,内部会
多处出现裂纹。受控喷丸强化工艺可获得有利于改善其泵体力学性能的表面组织结构和残余压应力场,
受控喷丸强化就是使金属在高速运动和受控介质的作用下,使其表面产生不均匀的塑性变形来达到和形
成合理的应力场,从而起到强化金属表面,并充分发挥和改善金属材料的潜在能力和作用。它能使金属
表面层发生较明显的显微组织结构变化,一殷表面变形层深度在0.12~0.8mm之间,可获得有利于改
善机械零件性能的表层组织结构和残余压应力场。经受控喷丸强化的零件受到组织和应力的强化作用,
以改变和提高零件的疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力。
受控喷丸强化工艺
受控喷丸强化工艺已广泛应用于各类机械制造对机械零部件的表面强化,并已有过许多研究和可靠
方法。石油机械制造领域里,通过对抽油杆的受控喷丸强化,抽油杆的断裂分析试验表明,油井内硫含
量及氧离子高都会使抽油杆发生应力腐蚀开裂,在交变应力作用下,最终发生腐蚀疲劳破坏。而在适宜
的受控强化工艺参数下,能使其旋转弯曲疲劳强度提高14%1
上述事例和数据证明,通过受控喷丸强化,能让机械零件的耐腐蚀性能和抗疲劳性能得到有效提
高,无论是对零件的使用安全性还是使用寿命都发挥了重大作用。
在固井压裂泵制造中的应用
固井压裂泵在制造中的一般抛丸清理,主要是对热处理过后的泵去除表面的热氧化皮。使泵的内外
表面都以彻底清理。但是,泵是在变化载荷下工作的,出现的应力是交变应力。当交变应力循环达一定
次数后,将其产生裂纹,而这时的应力数值总是低于材料的一次性静加载强度,有时甚至不足一半,或
更低。泵的最终断裂也常是突发性的,且裂纹扩展到断口的塑性结构成分较少。这样的裂纹属于疲劳破
坏性质,泵因疲劳破坏而继续使用将对安全构成很大的威胁,也使泵的成本增加了许多。泵正是在这种
应力作用下工作,其泵腔内各孔交贯处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大。又由于泵内腔在机械加
工中受各种机械切削力的作用和内腔曲面的本身不规则,使腔内各孔交贯曲面处的应力分布极不均匀,
实际工作中又受交变应力作用,因此很容易产生应力腐蚀而使泵体内腔开裂,使用寿命降低。为此,笔
[收稿日期]2011-12-04
作者简介]王海(1960-),男,1983年大学毕业,工程师,现主要从事石油机概加工工艺研究工作。
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第34卷第2期
王海:固井压裂泵受控喷强化工
者设计了一套对泵体内腔进行受控强化喷丸的方案并对泵体内腔进行受控强化喷丸试验。对受控喷丸强
化试验设备、泉产品内腔试验区域、泵产品取样和试验方法,产品在试验设备上的运行坐标及设备上喷
枪对喷丸区域的运行轨迹,受控喷丸强化试验工艺制定及各参数进行优选,产品试验后如何检测(检测
项点和内容及验证)等进行了全面比较分析,特别是对喷枪对喷丸区域的运行轨迹进行了更加严密的
计算,以确保受控喷丸强化试验的各参数得以充分保证。
根据设计,对泵体内腔和泵的试样按照设计方案进行了受控喷丸强化试验,对于整个受控喷丸强化
过程,重点控制了下列各试验参数(符合SAE-J442和AMSS13165等美国相关标准):①喷丸介质为
铸造钢丸;②钢丸尺寸为球形状S190;③钢丸硬度为FHRC47-52;④喷射速度为305mm/min;⑤喷射
流量为30kg/min;⑥喷射压力80psi(1psi=6894.757Pa)。
1)应力强度检测是对标准弧高度试片单面进行喷丸强度检测。将多个标准试片和试样固定在模
拟泵容器的不同表面上,即应力最集中的泵腔内各孔交贯处,试片上产生的压应力影响导致试片的弯曲
量,即弯曲弧的高度。弯曲量的扩大变化与丸料冲击的能量成比例,它也是评定喷丸强度的标准。
2)表面覆盖率覆盖率就是被强化后表面凹坑的面积与需要总强化表面面积之比。在SAE-J442
和AMS-S-13165标准内通过以下方式决定:①目检使用10倍放大镜;②附加的目检使用一种规范的操
作技术方法。该参数设置在100%~200%,或者可高于200%。根据对泵的热处理控制及得到的内腔实
际硬度,选用受控喷丸强化钢丸硬度控制在HRC47~52,大小在1.19~0.84mm。试验后在试片上的
强度范围检测在0.15~0.23mm
就泵的受控强化喷丸工艺,重点控制喷枪对喷丸区
亵1受控喷丸强化试样的部分测试结果
域的运行轨迹及监控的主要参数,包括:喷丸速度、喷
层深度残余应力亚晶粒显微畸变显微硬度
丸强度、丸粒直径、喷丸的距离、喷射角度、喷射压
/am/MPa尺す/ntm/103?/HV100
力、强化的时间和覆盖率。通过对上述参数的设计调
控,以达到和改变泵的表面强化质量和效果(表1)
609
491
固井压裂泵检测的有关参数包括:①喷丸最大残余
427
压应力超过一650MPa,残余压应力深度超过400gm,75
638
说明应力强化效果非常明显;②经过喷丸强化处理后,
371
材料表层的亚晶粒尺寸细化和显微畸变増高,该深度已200
537
超过100pm,即组织强化效果明显;③显微硬度实际300
是以上3种强化效应的综合反映,表层显微硬度明显高400
00
151
155
354
于基体材料,该深度已超过100gm,综合强化效果非
常明显;④通过对喷丸前后平板试样的尺寸测量,证实
由于喷丸所导致的尺寸変化量小于5km,对零件不会造成不良影响;⑤表面粗糙度略有升高,但可通
过完善喷丸工艺来降低粗糙度;⑥疲劳寿命试验虽然尚未进行,但从以上结果来看,效果应该比较理
想
结语
实践表明,正确应用可控的喷丸强化工艺和设备保证,特别是选用高精密度的转台和机器人式喷
枪,通过高精度强化发生器和监控软件系统,可确保精确的气压控制和丸流量调节,以及整个喷丸过程
的监控、维护、数据统计分析等,使泵的综合疲劳强度明显提高,大大延长其抗疲劳寿命。有望通过进
步工艺试验,获取更加完善、全面、稳定、可靠的受控喷丸强化工艺参数,形成行业规范或标准,使
泵的使用寿命提高50%或更长。
参考文献]
方博武·受控喷丸与残余应力理论「M].济南:山东科学技术出版社,1991.
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