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1、摘要- 目录- 第一章 的总体概述- 第二章 动机的选择- 第三章 浆泵的一些零件的设计计算- 第四章 浆泵主要零件的额加工工艺- 4. 1 偏心轮的加工- 4. 1 . 1 工工艺 4. 1. 2 注意事项 4. 2 泵头体处理工艺- 4. 2. 1 泵头提到额失效过程 4. 2 .2 影响泵头体服役寿命的主要因素 4. 2. 3 冶金因素 4. 2 .4 平面强化 4. 2. 5 机加工 4. 3 缸套磨损机理研究 材料选择及结构设计- 4. 3. 1 磨损原因分析 4. 4 泵轴热处理要解决的问题- 4. 4. 1 感应器的设计 4. 4. 2 保护水套的设计 4.4 . 3 工艺过程的
2、设计 4. 4. 4 工艺调试 4. 5 泥浆泵轴表面热处理的方法- 4. 5. 1 表面热处理方式选择 4. 5. 2 火焰表面淬火工艺 4. 5. 3 火焰表面淬火工艺制定 4. 5. 4 注意事项 4. 5 . 5 缸套磨损机理研究、结构设计及表面处理技术的应用 4. 5. 6 效果分析 4. 6 齿轮- 4. 7 活塞密封圈的选择- 第五章 泵的使用与维护- 5. 1 安装 5. 2 维护 5. 3 正确使用与维护 5. 4 泵的润滑 5. 5 常见故障及排除 第六章 柱塞泥浆泵的经济可行性分析- 第七章 结论- 参考文献- 附录 一 专题- 附录 二 外文翻译- 英文翻译 中文翻译
3、第一章第一章 泥浆泵泵的总体概述泥浆泵泵的总体概述 柱塞泥浆泵的工作原理：柱塞泥浆泵的工作原理： 图图 1.11.11.11.1 由图 1.1 解释。由电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。经偏心 轮将回转运动转化为直线往复运动。驱动双作用柱塞泵作功。柱塞泵的进浆室、 排浆室各有两个钢球组成的单向控制阀（如下图所示） 。当活塞杆向左驱动时， 缸体右腔进浆（单向阀 F2 打开，单向阀 F4 关闭） ，缸体左腔排浆（单向阀 F3 打开，单向阀 F1 关闭） 。当活塞杆向右驱动时，缸体左腔进浆（单向阀 F1 打开， 单向阀 F3 关闭） ，缸体右腔排浆（单向阀 F4 打开，单向阀 F2 关闭）
4、 。 （见以上工 作原理图 1.1）除此之外,在主通路上安装空气力表用来调整泵在抽吸过程中产 生的波动大小。 泥浆泵是在钻探过程中，向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻 探机械设备的重要组成部分。 泥浆泵的主要作用是在钻进过程中将泥浆随钻头钻 进注入井下，起着冷却钻头，清洗钻具、固着井壁、驱动钻进，并将打钻后岩屑 带回地面的作用。在常用的正循环钻探中泥浆泵是将地表冲洗介质清水泥 浆或聚合物冲洗液在一定的压力下经过高压软管水龙头及钻杆柱中心孔直 送钻头的底端以达到冷却钻头将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。 常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的由动力机带动泵的曲轴回转曲轴通过十 字头再带动
5、活塞或柱塞在泥浆泵泵缸中做往復运动。 在吸入和排出阀的交替作用 下实现压送与循环冲洗液的目的。 图图 1.21.21.21.2 偏心轮连杆传动：如图 3-1 所示 图3-1PZNB 型喷水式柱塞泥浆泵结构图 1 传动端;2 柱塞组合;3 水清洗系统;4 阀箱组件 其传动端结构为中心轴+偏心圆盘+连杆。机构工作方式为：电机通过减速器 减速后，通过心轴上的啮合齿轮副带动轴旋转，由于偏心圆盘是通过刚性连接于 轴固结为一体，圆盘也将做旋转运动。再经过连杆的运动传递，将旋转运动变为 注塞的往复运动。此类结构中，要求轴端必须有轴承支撑，整个动力端要有良好 的润滑、散热和密封装置。 泥浆泵性泥浆泵性主要主要
6、能参数能参数 泥浆泵性能的两个主要参数为排量和压力。 排量以每分钟排出若干升计算 它与钻孔直径及所要求的冲洗液自孔底上返速度有关即孔径越大所需排量 越大。 要求冲洗液的上返速度能够把钻头切削下来的岩屑岩粉及时冲离孔底 并可靠地携带到地表。地质岩心钻探时一般上返速度在 0.41 米/分左右。泥 浆泵的压力大小取决于钻孔的深浅冲洗液所经过的通道的阻力以及所输送冲 洗液的性质等。钻孔越深管路阻力越大需要的压力越高。随着钻孔直径深 度的变化要求泵的排量也能随时加以调节。 在泵的机构中设有变速箱或以液压 马达调节其速度以达到改变排量的目的。 为了準确掌握泵的压力和排量的变化 泥浆泵上要安装流量计和压力表
7、随时使钻探人员瞭解泵的运转情况同时 通过压力变化判别孔内状况是否正常以预防发生孔内事故。 目前，全球真空泵的市场的年销售额约 20 亿美元，年增长率在 7%左右。 我 国生产的真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在 1.5 亿左右，仅相当 于美国 Kinney 公司一家真空泵的年销售额。通过对全球真空泵市场的分析我们 可以看处，各类真空泵的市场及应用领域都在不断的变化和发展。我国真空泵制 造业有着悠久的历史和雄厚的基础， 国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并 经过验证，有些还出口到国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真 空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。 第二章第
8、二章 电动机的选择电动机的选择 泵的原动机类型应根据动力来源、工厂或装置能量平衡、环境条件、调节控 制要求以及经济效益而定。 现今电动机主要有鼠笼式和线绕式两种， 三向交流鼠笼型异步电动机是石化 装置用泵的主要原动机，它具有结构简单、维护方便、价格较低、体积紧凑、 启 动及运行均较方便可靠的优点。但是它不能经济、方便地实现范围较广的平滑调 速、运行中必须从电网吸收滞后的无功电流而使电网功率因素变低，一般不适于 大型泵及调速泵，而多用于中、小型泵。 相比之下，三相交流绕线型电机和三相交流同步电机，则可用于对启动、 调 速、改善电网功率因数、大功率、高效率、转速恒定等有特殊要求的场合，但用 于驱动
9、泵的不多。 直流电机虽有调速性好、启动转矩大等优点，但需直流电源，造价高，维修 较复杂，一般也不常用于生产装置中。 当需要改变工厂的蒸汽平衡，对装置中大型泵或需调速等特殊要求的泵， 可 采用气轮机作泵的原动机。 随着石化装置技术水平及经济性的提高， 采用反转离心泵或液力透平作为泵 的辅助或主要原动机，以回收压力液流的可用能量；采用调速或多速电机，或采 用电磁的、液力的、机械的耦合器以达到泵调速的目的等技术，近年来已应用于 石化装置。 此外，在特定的情况下，也有用蒸汽机、内燃机、燃汽机等作为泵的原动机 的。 然而，由于泥浆泵的工作环境和条件恶劣，工作于高湿度、高粉尘的环境。 根据机械设计使用手册
10、需要选择专用电动机。 电机的选择还要根据某些参数才能确定最终的电机型号计算过程如下： 由已知参数可知 P=4Mpa. 而根据公式 F=AP 可得， F=4 6 10 3.140.095 2=113354N 其中 F主轴所受的轴向力 A运动活塞的截面积 P作用在轴上的最大压力 由以上便可得主轴的转矩 T： T=Fr=11335480 3 10 =9068N.m 根据公式， P= 20M P ，可得 P= 9068 20 3.14 35 =16270 3 cm /r 其中 p为排量； M 为转矩 ； P为最大压力； 又由 Q= 1000 pr ，可得轴的转速 r= 1000Q p ， r= 191
11、7 1000 16270 =117r/min； 其中 Q为流量（L/min） ； P为排量（ 3 cm /r） ； 最终根据以上所求的参数，可根据公式 T=9550 p n 求得轴的输出功率 P= 9550 Tn = 9068 117 9550 =111Kw； 取每级齿轮的传动效率为 0.97，带的传动效率为 0.92。可算得电机的输出 功率为 P= 111 2 0.92 0.97 =128Kw。 一般的，Y 系列是供一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机，具有 效率高、性能好、噪音低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优 点。而 Y 系列电动机主要拥有启动转矩高、启动电流小等优
12、点。 根据以上的叙述和有关计算，决定选择 Y315M1-4 型三向异步电动机，其功 率为 132Kw，转速为 1490r/min，重量为 1100Kg. 此系列的电动机的主要特点： 1 启动转矩高、启动电流小，效率较高，损耗少，运行可靠，运行温度低； 2 由于其结构型式为封闭式，因此可以在尘土飞扬、水土飞溅的环境中使用， 在 比较潮湿及有轻微腐蚀性气体的环境中也能有较长的使用寿命。 第三章泥浆泵的一些零件的设计第三章泥浆泵的一些零件的设计 泥浆泵的发展方向是提高时效，降低成本和采用能够降低成本的新工艺、 新 技术和新装备。运用大排量高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择。高压喷 射则由高可靠性
13、的钻井泵来保证。 因此， .泥浆泵的发展趋势是:降低额定冲数， 由 150 冲/min 降到 110 一 120 冲/min,长冲程，最大冲程已达 300mm 以上。 降冲不仅可以提高易损件如活塞密封、缸套的使用寿命，而且还可以减少惯 性损失， 改善泵的吸人性能， 同时提高泵动力端齿轮、 轴承等零部件的使用寿命， 大大提高钻井泵的可靠性。合理降低泵的冲次，适当增加泵的冲程长度，既满足 钻井过程中的排量要求，又能确保泵的自吸性能，充分发挥了泵的效能，成为今 后钻井泵设计的发展方向。 钻井行业的发展方向是提高时效，降低成本和采用能够降低成本的新工艺、 新技术和新装备。运用高速高压喷射钻井工艺即是这
14、一趋向的必然选择。 决定钻井泵易损件寿命和工作效率的参数为泵冲次、冲程、排出压力和吸人 压力。 这些参数与有关寿命之间的关系是指数函数。 实践表明钻井泵 80%的故障 是由于缸套活塞组的磨损引起的。 3. 3. 3. 3. 1 1 1 1 泵主要参数的合理选择泵主要参数的合理选择 泵的性能取决于泵技术参数的合理匹配。从提高泵的吸入性能出发，优化选 择泵的性能和结构参数是非常重要的。 (1)泵的额定冲次 n 钻井泵的冲次 n 是泵的主要参数之一。目前的发展趋势 是降低冲次，相同功率下，冲次高使得泵体积小，质量轻，进而制造费用、运输 费用和维护保养费用较小;冲次高则不能充分发挥三缸单作用泵的效能，
15、因此， 对冲次的选定将决定钻井泵的性能可靠性、使用性和经济性。 降低冲次可以提高泵吸人性能，特别是提高三缸泵的自吸能力。降低冲次可 延长易损件的使用寿命。钻井泵冲次的高低对易损件的寿命有很大影响。活塞失 效的主要原因是挤伤和磨损，由于活塞平均速度与冲次成正比，当冲次降低后， 活塞往复运动的速度减慢，活塞与缸套之间的摩擦功耗产生的摩擦热减少，从而 延长活塞密封的使用寿命，也提高了缸套的使用寿命。同时，十字头、导板、 阀 和阀座的寿命都有所提高。另外，冲次降低后，惯性损失减少，泵不易产生“水 击”现象，质性力减弱，将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命。 冲次冲次 泵缸横截面积：S= 2 4
16、 d = 3.14 4 x 2 0.19 =0.030685 2 m 往复频率f：f= 3 L V = 3 115 0.030685 0.5 3 m h =41.64 min 次 42 min 次 冲次 w：w=1/f=1.428S/次 上式中， L：流量； V：泵缸容积； 0.5：泵缸冲程，单位m。 推杆推力F：F=PS=4Mpa x 0.030685 2 m=122.74KN (2)泵的冲程长度泵的冲程长度是钻井泵的另一重要指标。由以上表所知， 在降低冲次的前提下，适当加长冲程长度是合理的，而且还可以进一步改善其吸 人性能。 经合理搭配泵的冲程长度，泵的额定冲次，缸套直径，在泵的理论排量、
17、 排 出压力满足钻井工艺要求的前题下使泵的惯性水头系数小于 0 . 34 m/s2 时， 能够 确保钻井泵自吸性能良好。 (3)正确设计吸人管线也是钻井泵设计的关键为保证液流与活塞同步增速， 液流需要消耗一定的能量，即称为“加速度水头损失”或“惯性损失” 。随着所 用吸人管线的形式不同，这种损失可能加大或减小。要控制惯性损失，提高泵吸 人性能，应注意以下几方面问题： 1)吸人管线应有足够的液体。 2)选用直通式泵头。 3)吸人系统应绝对密封。 3. 3. 3. 3. 2 2 2 2 钻井泵阀运动对排量的影响钻井泵阀运动对排量的影响 泵工作时排量不断变化，压力也随之变化。排量和压力的波动会降低泵
18、的机 械效率容积效率及缩短泵和管线的使用寿命，甚至导致井壁的坍塌和钻进液的 漏失。 为了减小泵的排量和压力的波动， 常用的方法是在泵的排出口安装空气包， 或在吸人口安装空气包。 泵工作时，阀盘作间歇运动。当阀盘上升时，它与阀座间有一空间，从液缸 内排出的液体有一部分储存其中，使流经阀隙的液体量小于液缸内排出液体量; 当阀盘下落时，下部空间减少，把原来储存的小部分液体排出，使流经阀隙的液 体量大于由液缸内排出的液体量。从本质上说，泵阀在阀腔内的运动效果就相当 于一台“开式”往复泵，阀盘相当于一个活塞。 对钻井泵而言，为了满足钻井工艺对排量和压力的要求，通常采用换缸套的 方法。根据泵阀理论，阀盘的
19、运动存在滞后现象，在排出过程终止时，阀盘并未 落回阀座。吸人过程开始时，阀盘在自重、弹簧力及阀盘上下压力差的作用下， 快速下落，产生冲击力。阀盘上下压力差越大，阀盘的冲击力越大，阀盘和阀座 所受的力就越大。 同样，由于泵在高压状态下使用的是小缸套，在 Q1= Fcursincot 中，F 值较 小，泵的排量变化值较大。所以在设计泵时，通常采用泵的小缸径参数。为了减 小泵阀运动对泵排量不均度的影响，应尽可能地减小阀盘的直径和运动速度， 尽 可能地使用直径较大的缸套，使 Flf 阀的值较大，也就是说，在泵的使用过程中， 尽可能使用大直径缸套，既可以提高钻井液的循环量，又可以保证泵的瞬时排量 相对稳
20、定，从而保证钻井质量。 3. 3. 3. 3. 3 3 3 3 缸筒材料选择：缸筒材料选择： 要有足够的强度，能长期承受最高工作压力； 要有足够的刚度，能够承受活塞的侧力和安装的反作用力而不至变形； 良好的耐磨性，在长期工作情况下仍能保证较高的尺寸和形位公差等级； 综合以上各条和经济性考虑，缸筒材料选为15Mn。 由 以 上 数 据 可 计 算 液 压 缸 筒 壁 厚为 ：（ 设0.08 0.3 D =） 由 1 机械设计手册 19-212有： max 0 max 30 0.1 29.06 420 2.33 2.33 30 5 PD mmm P = 圆整为30mm。 其中 0 ：缸筒壁厚， m
21、ax P：缸内最大压力， ： b n ； b ：缸筒材料许用应力； n安全系数，取为5。 至此，缸筒尺寸确定：直径100mm，壁厚30mm，长L为500mm， （考虑到活 塞厚度及缓冲缸的存在，长度定为600mm） 3.43.4 吸浆管与排浆管的选择与直径计吸浆管与排浆管的选择与直径计算 3.4.13.4.1 吸浆管直径计算吸浆管直径计算 dx=（4Q /v X） 1/2=42323/（3.141360）1/2=0.19 取20mm 式中：vX液流在吸入管中的流速取 vX=1.3 m/S=13 dm/S Q 计算流量 Q= Q/ V=1917/0.825=2323L/min 3.4.23.4.
22、2 排浆管直径计算排浆管直径计算 dp=（4Q /v p） 1/2=（42323/（3.142060） ）1/2=0.272mm 取30mm 式中：vp液流在排水管中的流速 取 vp=2m/S=20 dm/S 3.4.33.4.3 浆管的选择浆管的选择 根据工作压力和按上式求得的管子的内径， 选择胶管的尺寸规格。 对于频繁， 经常扭者要降低 40%。胶管在使用及设计中应注意下列事项： （1）胶管的弯曲半径不宜过小，胶管与管接头的连接处应留有一段直的部 分，此段长度不应小于关外半径的两倍。 （2）胶管的长度应考虑到胶管在通入压力液后，长度方向将发生收缩变形， 一般收缩量为管长的 3-4%。因此，
23、胶管安装时应避免处于拉紧状态。 （3）胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为了便于安装，可沿管长涂以 色纹，以便检查。 （4）胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动 时胶管收扭。 （5）胶管应避免与机械上尖角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。 3.53.5 连杆十字头连接处销子强度的计算连杆十字头连接处销子强度的计算 销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特 点按经验确定，必要时再作强度较核。 定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。销在每一个被 联结的件内的长度约为销直径的 1-2 倍，定位销的材料通常选 35、45 钢，并进 行硬化
24、处理，根据工作需要也可以选用 30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62 和 1Cr18Ni9Ti 等材料；弹性圆柱销多采用 65Mn，其槽口位置不应装在销子受压的 一面，要在装配图上表示出槽口的方向。 设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。安全销的材料可 选用 35、45、50 钢或 T8A、T10A 等，热处理后硬度为 30-36HRC；销套材料可选 用 45 钢、35SiMn、40Cr 等，热处理后的硬度为 40-50HRC。安全销的直径应按销 的抗剪强度b进行计算，一般可取b=（0.6-0.7）b。 根据本设计的实际情况，选择 45 钢 d=16mm 的圆柱销。
25、材料：45 号钢 机械性能： s=36000N/cm 2 b=61000N/ cm 2 = s/1.5=24000N/ cm 2 （1） 外加负荷 P=D 2P/4=162200/4=40192N （2） 各支点反力 FA，FB Z=0 FA+ FB= P=40192N MA=0 18 P36 FB=0 解得： FB=20096N FA=20096N （3） 各支点弯矩如图 4.1 MA=MB=0 MC=18FA=36172N.cm （4） 按弯曲强度计算 从图 4.1 的弯矩图可知危险短面为 C 处截面，截面 C 处的抗弯摸量 W W=0.1d 3=0.11.93=2.476 cm3 截面
26、C 处的弯曲应力W W=MC/W=36172/2.476=11609 N/ cm 2 安全系数 n n=/ W=24000/11609=2.06安全 （5）按剪切强度计算 由于此销为双剪切 故剪力 Q=P/2=20096N 剪应力= Q/F=20096X4/1.9 2=1791 N/ cm2 安全系数 n=/ =8150/1791=4.55安全 式中：许用剪应力=8150 N/ cm 2 （6）按挤压强度计算 挤压应力JY=P/FJY=4019/1.6X2.4=1046 N/ cm 2 安全系数 n= JY /JY=5100/1046=4.88安全 式中：JY挤压剪应力JY=5100 N/ c
27、m 2 综上所叙连杆小头销子直径为 19mm 满足强度要求。 第四章第四章 泥浆泵零件的加工工艺泥浆泵零件的加工工艺 经过计算和几次方案论证，考虑到工作现场的特点，从实际实用的角度出发， 确定方案如下： 考虑到多种场合的野外作业，动力选择电机； 1. 考虑到密封件容易损坏，需经常更换，选择新型的密封材料聚四氟乙烯，可 延长使用寿命； 2. 考虑到泵体容易损坏，选用高强度材料，提高承载能力； 3. 柱塞选用更好的材料，提高柱塞耐磨性，延长柱塞使用寿命。 4. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适合于搬运。尽量做到 标准化，通用化，系列化。 4.14.14.14.1 偏心轮的加工偏心轮
28、的加工 三个偏心轮工作由一个直轴联接成一体， 三个偏心轮的空间位置各相差120。 次偏心轮结构结构尺寸、同轴度、垂直度要求非常严格，各装配尺寸上粗糙度的 要求也很高这些技术要求给加工增加了难度。 胎具的设计提出： 根据偏心轮的结构，偏心部分内孔与外圆部分壁薄厚不均，个各尺寸精度较 高的特点，设想能用一种机加方法把各部尺寸一次加工完成，为了保证零件尺寸 精度及形位公差精度，借助于胎具，按同一加工基准定位，通过实际操作，能够 满足设计要求。 胎具两侧孔偏心距要求与偏心轮相同， 偏心距为 1000.05mm， 并保证轴线 平行，周围孔与偏心轮上孔把合，利用胎上的孔及周围螺栓把合定位，将偏心轮 固定，
29、分步加工各部尺寸。 4.1.14.1.14.1.14.1.1 工艺流程工艺流程 毛坯的准备，材料 ZG35CrMo，铸后应正火处理，稳定组织，利用划线， 全 线检查查看各部尺寸，查看余量是否能满足加工 粗车：利用划线，用 2.5m 立车粗车，各部留 6mm，超声波探伤检查毛坯内部质 量，然后进行调质处理，再探伤检查，看材料是否还有缺陷，再粗车一刀，每面 留 2mm，余量后进行稳定化处理，使零件的组织更稳定，并进一步消除材料及加 工应力。 半精车：用 2.5m 立车车成在半精车时需加工一刀，以备找正用；通过划线 利用小钻将过垂直轴线的空加工，为保证胎具的使用精度，由钳工处理各孔的毛 刺； 精加工
30、：有 A、B 两种。A:用 2.5m 立车上胎；按相关端面找正，端面跳动在 0.03mm 内，修研装夹面，将零件向下装入胎内，检查零件与卡盘回转中心同轴 度达到0.04 的图纸要求，用沉头螺钉将零件与胎具把牢，内孔按图纸要求磨 好；划出偏心十字找正线，上胎；按相关端面赵正，端跳小于 0.03mm，修研装 卡面，用工艺螺栓和垫圈将零件装卡牢固，车全部偏心尺寸，半精车时检查偏心 距 100mm 实际尺寸，并微调偏心，各面均留 0.3mm，其余各部达到图纸要求；B： 用立式磨床上胎；修研装卡面，将零件固定在胎上，按零件端面及内孔找正， 磨 外圈达到图纸要求，拆下零件，将胎具掉个，按偏心十字线对应找正
31、，卡牢， 磨 偏心外圆尺寸达到图纸要求。 其余工序：由钳工取出毛刺，倒角。 4.1.24.1.2 注意事项：注意事项： 因为零件用于传动，是关键件，它的使用寿命关系到整个泥浆泵的寿命， 在 选材上要选用优质合金铸钢，热处理手段至关重要，每一道工序都应仔细，认真 操作。 整个工艺流程中划线是主线，按线找正，因此，划线是非常重要的工序， 在 划线的工程中要仔细检查，每一步都要划的精、准。胎具在使用时，每一步都应 该精修装卡面， 每一步都要严格执行， 认真修研， 否则将会影响整个零件的精度。 偏心距交大时， 立车， 立磨的切削速度不宜过高， 否则应考虑用配重块平衡， 以确保尺寸精度。 成产实践证明，
32、使用这种方法加工的偏心轮能够满足设计及使用要求，采用 简单的胎具和普遍的车床就能保证偏心轮的精度要求，这种加工方法比较简单， 易于操作。 4.24.24.24.2 泵头体处理工艺泵头体处理工艺 按国内机械工程技术界的传统观点， 对泵头体的处理工艺作了调质处理的规 定认为钢中马氏体是硬而脆的组织，因而为了追求高塑性 高韧性，通过调质 热处理使泵头体获得回火索氏体组织，称这种热处理工艺为 调质态工艺 按照 “调质态” 工艺生产了两个泵头体，在通过台架试验后，进行了现场试验 其 中一个累计连续运行 434h，泵头体交变腔出现裂纹失效，其它机件运行正常 另一个累计连续运行 289h， T 作压力为 3
33、5 9MPa， 泵头体交变腔上部开裂失效， 其它机件运转正常“质态”工艺的泵头服投寿命未达到要求 我国近几年来断裂力学的研究表明， 低碳马氏体和高碳马氏体组织形态上的 差异， 主要是由于马氏体相变时的切变方式不同而造成的， 而马氏体含碳量不同， 反映在综合机械性能上，也有显著不同这样就可以通过改变工艺条件，控制马 氏体的形态，从而控制其性能如 AISI 4340 钢(即 40CrNiMoA 钢)在油液淬火 条件下，断裂时表现了较大的塑性状态，而且试验表明，平面应变断裂韧性 Ktc、 一次冲击值 CVN 和拉伸试验值均显示了较高的塑性 基于以上认识提出了另一工艺方案，即采用油液淬火工艺获得马氏体
34、组织， 称为“淬火态”工艺。采用 “淬火态”工艺生产了 2 个泵头体，其中一个累计 在现场连续运转 245h，工作压力为 383MPa，在交变腔下部开裂，其它机件运 转正常。另一个累计在现场连续运转 245h，工作压力 357MPa，在交变腔下部 开裂失效，其它机件运转正常。 在半年多的时间内，先后裂了 4 个泵头。 调质态 工艺和 淬火态 工艺， 无 论出自传统观念还是吸收断裂力学的近期研究成果， 其目的都是为了提高泵头体 的强度。泵头体的连续开裂，提醒我们对旨在以提高强度为中心的技术思路进行 反思，提出一个旨在提高疲劳寿命的工艺方案，称为“化学热处理” 工艺。按 “化学热处理”工艺生产了两
35、个泵头体，其中一个，对泵头进行高压生产试验， 确定工作压力为 37.8MPa，累计连续运转 121l 未发生故障性停车和异常情况。 另一个在现场试验， 工作压力为 37 4 40 1MPa,累计连续运转 1418h 无故障。 两台试验泵均因地质原因停泵，双双突破了连续运转 1000h 的鉴定要求，以后一 直沿用“化学热处理 工艺进行生产。按照旨在提高疲劳寿命的工艺方案生产泵 头体取得了明显的实效。 这种“ 化学热处理” 工艺是对一特定的中碳合金结构钢进行渗碳处理， 控 制渗层深度和碳化物级别，而后直接淬火、回火获得较高的表面硬度。通过热处 理在工件表面或亚表面产生高的压应力，使工件表面形成均匀
36、、完全的马氏体薄 壳，又称为“薄壳硬化”处理。这种处理方式其实是一种预应力处理，能大幅度 提高泵头体的抗疲劳性能， 从而可延长泵头体的服役寿命。 4.2.14.2.14.2.14.2.1 泵头体的失效过程泵头体的失效过程 断裂有两种类型，一种是韧性断裂，即机件在受载过程中，经历弹性变形、 塑性变形后断裂；另一种类型是脆性断裂，即机件受载发生弹性变形，但不显示 宏观塑性变形，或宏观塑性变形很小就发生断裂 两种断裂类型比较起来，后 一种危险性更大，因为脆断往往是突然发生，事先很难觉察。 为了检验断裂失效原因， 对泵头体应力状况进行了定量分析。 用三维有限元程序， 先后在 M 一 160 和 SIB
37、ER 机上进行计算。为保证计算具有足够的精确度，取泵 头的一半作网格划分，划分的原则是破坏处最密，离破坏处越远丽格越疏，由密 而疏平缓过渡，共划分八层三条 138 个单元对网格的划分由计算机作出单元划 分数检绘图 计算机计算出的各结点应力值表明，位于三通相贯处的单元内应力较高， 裂 纹源处峰值应力 235MPa,其余各单元的应力一般小于 49MPa,高压腔一些单元的 内壁应力也小于 98MPa。 根据三维有限元计算，裂纹源处峰值应力为 235MPa,应力脉动最大幅度为 147MPa。用扫描电镜观察断口的微观形貌特征，确定裂纹源和裂纹扩展途径， 因此可以判定泵头体的断裂失效是由疲劳引起的。 当然
38、，这种应力较低的突然脆断的原因与泵头体内部存在的缺陷密切相关。缺陷 可能是生产过程中产生的，如冶炼，铸造，锻压过程中产生的夹杂，气孔 白点 等泵头体在运行过程中承受交变载荷时产生疲劳裂纹缺陷(裂纹)附近产生应 力集中，由于泵头体体积大，弹性能量积蓄太，限制了塑性变形的发展，加上高 速加载加压，以致在应力较低的条件下，裂纹尖端已经失去稳定而脆性扩展， 突 然开裂。 泵头体的疲劳破坏经历三个阶段，即孕育期、裂纹扩张期和最后断裂。 孕育期：泵头在交变载荷作用下，达到产生裂纹所需要的时间和交变周次，不论 泵头体材料局部有无缺陷，均存在孕育期。原始材料细小缺陷程度不同，孕育期 的长短有着较大差异。 裂纹
39、扩张期：在交变载荷作用下，从泵头裂纹的萌生开始到断裂前，裂纹由微观 向宏观扩张 这种扩张是裂纹的尺寸小于最后断裂时的 I 临界裂纹尺寸条件下缓 慢扩张。 断裂：外加载荷不变，随着裂纹的亚临界扩张，裂纹长度不断增长，裂纹尖端的 应力强度因子 K 值不断增加 当裂纹的长度达到某一 临界裂纹尺寸 az， 裂纹尖 端的应力强度因子 K 值便达到该材料在疲劳条件下的断裂韧性 Ktc 泵头裂纹快 速“失稳扩张” ，泵头发生最后断裂。 由此可知，疲劳寿命由形成裂纹的孕育期 No。 ，疲劳裂纹的亚临界扩张速率 da/dN ，以及最后断裂的临界尺寸 ac 来决定 如图 1 所示 4.2.24.2.24.2.24
40、.2.2 影响泵头体服役寿命的主要因素影响泵头体服役寿命的主要因素 断裂力学的研究成果表昵在裂纹体中， 裂纹尖端应力场的强度可用裂纹尖端 的应力强度因子 K 来描述。这样，自然可以想到，在交变载荷作用下的泵头体 中的疲劳裂纹亚临界扩张， 应力强度因子 K 也是一个很重要的控制参量。但是不同的材料，不同的热处理 状态以及其它许多外在因素，对疲劳裂纹的亚临界扩张均产生影响。研究这些因 素的影响，对于实施泵头体的合理选材，制定合理的热处理工艺和强化方法， 尽 可能改变疲劳裂纹的萌生位置，获得低的疲劳裂纹扩张速率，对延长泵头体的服 役寿命具有明显的意义 4.2.34.2.34.2.34.2.3 冶金因
41、素冶金因素 (1)夹杂物：泵头体中的非金属夹杂物能促使裂纹扩张速率加快不易产生 塑性变形的夹杂物对材料疲劳性能最有害。钢的纯度的作用在低应力(高寿命)疲 劳中比高应力(低寿命)疲劳中太得多。 因此，以央杂形式或白点出现的局部缺陷，就太有助于产生应力集中。断续 的几何性质，基体与质点问界面的剥离或者第二相质点自身的破裂，都可以引起 局部应变 因此钢的纯度严重地影确着疲劳强度 图 2 所示为疲劳寿命与央杂含量的关系曲线 可以看到，夹杂含量增加时，疲 劳寿命显 著降低。 (2)晶粒度：有关的研究结果指出，在相同的应力水平下，细晶粒时的疲劳 条纹密，粗晶粒的疲劳条纹疏，晶界对疲劳裂纹的扩张有阻止作用，
42、所以细化晶 粒是提高疲劳抗力的有效途径。 当邻近晶粒的屈服强度相继被超过时， 较细晶粒也影响着相邻晶粒相互范性 约柬的数量。在逐个晶粒滑移面上微观裂纹一旦开始，刚在阻止其发展中，晶界 的作用也是重要的。在单个晶粒内裂纹的成长，要容易得多，因为它涉及的范性 流变是沿单组滑移而进行的 但是裂纹穿过一个晶粒也通常要求沿另一组滑移 面的范性流变， 这组滑移面不一定和已经达到间界的裂纹一样处于对所加载荷那 样有利的方向因此，在一定意义上，晶粒间界可能披视为裂纹的阻止者，如果 已有一些裂纹起始，则细小晶粒意味着有更多的裂纹阻止者和更短的裂纹长度。 4.2.44.2.44.2.44.2.4 表面强化表面强化
43、 表面强化处理的手段，主要有化学热处理、表面淬火、滚压，挤压，喷丸及 复合热处理等 对于泵头体这样空间几何形状复杂的零件，一般表面强化处理 难以奏效，我们采甩的“簿壳硬化”处理，就是通过热处理在工件表面或亚表面 产生高的压应力。 为了获得最佳的结果，必须整体加热，这是由于 20 50 的压应力来自 高温未硬化的心部，从硬化表面向内收缩的结果 经过“薄壳硬化 处理的零件表面压应力经 X 射线测定一般达 980M Pa 以 上，这是十分可观的数值造成如此巨大的压应力可用工件淬火时热应力反向和 组织应力反向不同于一般热处理来解释。控制淬透性的铜进行薄壳硬化对，由于 整体加热，冷却后期发生了热应力反向
44、，给表层带来了较 的压应力。但从组织 转变来看，只有表面薄层产生了马氏体转变，心部并采发生组织变化，因而只有 冷却初期表面组织转变带来的残余压应力，没有热应力和组织应力的叠加，使表 层获得了极高的残余压应力，同时出于淬硬层较薄， tl,部较厚，因而表层压应 力显著高于心部的拉应力，这对泵头体疲劳抗力是非常有利的。 4.2.54.2.54.2.54.2.5 机加工机加工 粗加工所产生的表面不规则，造成应力峰，粗加工也损害表层下一定深度的 金属。使用于疲劳条件下的泵头体，必须进行精加工或磨加工。在钻孔时孔底切 削面容易出现太面积撕裂而引起疲劳断裂。 合适的磨加工能产生光滑的表面， 没有诱生的残余应
45、力或疲劳裂纹萌生的位 置，但如果出现局部过热、烧伤，将导致局部回火，或局部形成未圆火马氏体， 或形成磨削裂纹，这些对泵头体的疲劳强度是很不利的。 1提高泵头体报役寿命的基础条件是改善泵头体钢材的冶金质量 如硫、磷含 量应低于0 01 ，采用VHD精炼，真空度达3060kPa时通氩气，解除真空前加 铝粒，钢锭红态进锻造，锻后红进退火，氧化物、硫化物不超过1级，塔形试验 无发纹等。 2提高泵头体服役寿命的关键条件是采用“薄壳硬化”处理，使泵头体工作表 面获得高的压应力，其数值甚至超过泵头体材料的屈服限。采用此种工艺，对奥 氏体转变时析出的碳亿铁级别应予严格限制 3 提高泵头体服役寿命的重要条件是保
46、证关键部位有较低的粗糙度， 特别是交变 腔圆弧和内外表面，以消除疲劳裂纹的萌生位置 4泵头体应选择具有优良抗疲劳特性的钢材，不宜选用强度太高的材料 强度 高的材料虽然能增大安全系数， 提高强度储备， 但强度提高了， 断裂韧性降低了， 反而增加了脆断的危险，更不安全 5泵头体“薄壳硬化”处理过程中，由奥氏体向马氏体转变时，伴随着体积膨 胀，产生拉应力。如果拉应力超过钢材的抗拉强度，则可导致淬火裂纹的产生， 有时甚至放置一定时间以后产生置裂 4.34.34.34.3 缸套磨损机理研究，材料选择及结构设计缸套磨损机理研究，材料选择及结构设计 在实际生产中，泥浆泵是石油钻井工作台的“心脏”，缸套是泥浆泵的重要 部件。由于工况条件恶劣(活塞冲次100 12