预防泥浆泵易损件早期失效的方法

根据以上分析，泥浆泵易损件（阀体、阀座、活塞杆、缸套）都属磨料磨损失效。与磨料磨损做斗争，首先在于清除磨料，其次要设法提高金属材料对磨料磨损的抗力。清除磨料，就是采用泥浆净化装置，尽可能降低泥浆中的含砂量。在这方面，国内外近年来开展了大量的工作^[14]，已经研制了许多高效率的泥浆净化装置，并把各种泥浆净化设备（如振动筛、除砂器、除泥器、清洁器等）配套联合使用，形成了完整的泥浆净化系统。这对延长泥浆泵易损件的寿命，提高钻井效率无疑是十分重要的。但泥浆中毕竟还是要含一些细小的硬质颗粒的，而这种硬质细粒对磨料磨损也是不可忽视的。因此，必须把发展泥浆净化装置与提高易损件的磨料磨损抗力紧密结合起来，使之相辅相成。

对于泥浆泵阀体、阀座、活塞杆和缸套，过去大都采用中高碳钢（包括中碳合金钢）表面淬火或低碳合金结构钢渗碳淬火。我们曾对美国、日本、法国、罗马尼亚的上述产品进行了解剖分析^[15～18]，尽管各国所用的钢种不同，但大体上不出中碳合金钢表面淬火（或整体淬火）和低碳合金钢渗碳淬火的范畴。根据国外资料和一些油田对国外产品的现场使用结果，这样的材料和强化工艺不可能大幅度提高磨料磨损抗力。

经验证明，抵抗磨料磨损的最好办法是使材料的硬度高于磨料的硬度。试验研究结果进一步表明，磨料硬度/材料硬度小于0.7～1.1时，不产生磨料磨损^[2]。因此，从材料角度根本解决磨料磨损失效的途径，是大幅度提高零件工作面硬度，使之高于磨料的硬度。泥浆中的主要磨料是石英，其硬度大约为900～1280HV，一般材料和表面强化工艺是难以达到的。为此，近年来国内外均在积极研究和应用具有超高硬度的抗磨材料和工艺^[10～22]。高铬耐磨铸铁、含硼铸铁等抗磨材料和表面热喷涂耐磨合金、镀硬铬、渗硼等工艺措施，对于防止泥浆泵易损件早期失效均有显著的效果。

在泥浆泵易损件的新型抗磨材料中，高铬耐磨铸铁尤为引人注目。高铬耐磨铸铁是一种含特殊碳化物的马氏体白口铁。研究表明^[19]，当白口铁中Cr/C超过5时，碳化物的晶体结构发生了变化，由斜方晶系的针状（Fe，Cr）3C变化成紧实块状（三角形）的（Fe，Cr）7C₃。这种碳化物的硬度高达1300～1800HV，是高于石英硬度的，并且均匀、孤立地锒嵌于硬度稍低，但有较高强度和韧性的马氏体基体，构成良好的抗磨料磨损结构。据报道^[22]，美国至少有六家公司，采用不同成分的高铬耐磨铸铁研制成并成批生产双金属缸套。缸套的外壳，有的采用离心浇铸，有的采用高或中、低碳钢锻造，具有较高的抗拉和抗压强度与耐冲击性能，缸套内部的耐磨层，油井（Oilwell）和米兴（Mission）两家公司称为高铬铁合金，伍利（Woolley）公司称为超硬铬-铁合金，勃鲁克斯公司称为铬-碳-钼合金。国民供应公司（National supplyco.）称为高铬-高碳-铁合金。这种耐磨层的制造方法基本上有两种：一种是采用离心浇铸成单体，经机加工和热处理后，镶装在外壳里，另一种是采用离心熔铸法，即在外壳内表面直接熔上一层超硬合金。其熔铸工序是：先将超硬合金粉末放入外壳里，用夹具夹好，置于炉内加热，转动外壳进行离心熔铸，在1200℃时粉末熔化，然后慢慢冷却，将夹具去掉，最后进行机加工。这种缸套的寿命是普通缸套的3～4倍。苏联的高铬耐磨铸铁缸套，采用两种牌号，一种是260×28（含2.75%C，29.4%Cr），另一种300×10（含2.65%C，12.9%Cr）。经与70钢表面淬火缸套进行对比试验，260×28和300×10缸套的耐磨性是70钢缸套的2～3倍^[24]。自1977年以来，宝鸡石油机械厂和上海大隆机器厂、兰州石油化工机械厂、四川局威远机修厂等也先后研制成功了高铬耐磨铸铁缸套。宝鸡石油机械厂在研制过程中，对成分和热处理工艺进行了改进，寿命达1000～3000h^[23]。

苏联研究了两种含硼铸铁钢套，一种的成分为：2.9%C、1.8%B、3.7%Ni、10%Mn、0.8%Si，硬度63～64HRC。另一种的成分为：3%C、2%B、8%Mn、1.5%W、0.6%V，硬度68HRC^[2]。但这两种缸套均未见实际应用的报道。(www.xing528.com)

在表面强化工艺方面，苏联有些工厂采用渗硼，使钢套表面硬度达到1800～2000HV，寿命提高2倍^[2]。美国一般在中碳钢表面淬火或低碳钢渗碳的基础上，再采用深层镀硬铬，硬度达1000HV（相当于67.8HRC），用于高标准型的缸套或活塞杆^[2，22]。美国至少有四家公司采用热喷涂Ni-Cr-B-Si耐磨合金制造高标准型活塞杆^[2]。

应该指出，泥浆泵的阀体、阀座、活塞杆、缸套尽管都属于磨料磨损失效，但其服役条件并不完全相同。活塞杆在经受强烈的磨料磨损的同时，还承受拉压交变载荷，其疲劳断裂事故时有发生。阀体、阀座的磨料磨损是和多次冲击载荷联系在一起的。而缸套除泥浆的磨料磨损外，可以认为没有附加的服役条件，具有软性应力状态的特点，即t_max/S_max相当大，要求材料有较高的t_K，而对正断抗力S_OT要求不高。各种碳化物都是t_K高而S_OT低，（Fe，Cr）₇C₃的t_K至少在几百kgf/mm²以上。而马氏体的t_K是随碳含量的增高而不断上升的。作为高铬耐磨铸铁基体的高碳马氏体，其t_K可达150kgf/mm²以上。因此，高铬耐磨铸铁虽是一种脆性材料，但对于泥浆泵缸套这样的服役条件，却是恰到好处的。可是若用于制造活塞杆则不一定合适。因为它的S_OT很低，特别对于承受冲击载荷的阀体阀座，高铬耐磨铸铁可能是不堪一击的。因此，寻求防止泥浆泵易损件早期失效的途径，和解决其他失效问题一样，必须从分析服役条件出发，才能做到材尽其用。

（本文于1982年11月在中国机械工程学会材料磨料磨损失效分析技术及机理学术讨论会宣读）