本文關鍵詞：鉆井泵泵閥閥面失效分析及堆焊研究　出處：《西南石油大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著石油鉆采的快速發(fā)展,國內(nèi)油氣田對鉆井泵的需求必然是越來越大,鉆井泵的工作環(huán)境只會越來越惡劣。而鉆井泵開啟關閉時接觸含泥砂而且?guī)в懈g性的泥漿并且承受著高壓泵所造成的液力負荷,對泵閥表面進行沖蝕,在周期應力作用下產(chǎn)生疲勞,閥體和閥座是鉆井泥漿泵最易失效零件之一,在現(xiàn)場經(jīng)常更換,浪費大量時間。針對上述問題,本文對鉆井泵泵閥閥面進行宏觀和微觀失效分析找出閥面失效的主要原因;采用鎢極氬弧焊技術對泵閥閥面進行Stellite6鈷基合金堆焊,實施有無堆焊層的硬度測試、沖擊韌性對比試驗、磨損對比試驗,表明閥面堆焊鈷基合金可以提高泵閥的性能;利用Mathcad軟件對閥體運動進行近似計算,將獲得的結果作為初始條件,編寫UDF語言對泵閥閥面開展流場仿真分析,對閥面剪切力和沖刷特性進行分析研究;最后對閥面不同材料的疲勞壽命進行初步的分析研究。在研究過程中,得到如下主要成果:(1)借助于掃描鏡和金相顯微鏡對報廢的泥漿泵泵閥閥體和閥座閥面進行宏觀和微觀失效分析,并對閥座材料及熱處理組織進行分析,確立了閥面主要失效原因為磨料磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損等。(2)通過TIG堆焊技術在20CrMnTi鋼表面堆焊鈷基合金,元素濃度梯度大,擴散作用強,在堆焊過程中,在熔合線處出現(xiàn)了堆焊層與母材間元素的互相擴散,冶金結合良好。堆焊后的閥面力學性能通過試驗驗證表明得到一定的提高,有堆焊層的閥面的平均洛氏硬度HRC為45,維氏硬度HV為412,沖擊韌性較未堆焊時提高20%,質(zhì)量磨損量僅是未堆焊時的32%左右。(3)在泵閥吸入沖程的流場中,泵閥吸入閥閥體和閥座所受剪切力作用呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。閥體壁面剪切力作用最大的地方在閥體錐面,閥座壁面剪切力作用最大的地方在閥座錐面與垂直面的交界處。由于閥體和閥座本身的結構特征,閥體和閥座錐面與垂直面之間有過渡,閥隙處的閥面受力相對于其他位置更大,這是閥體和閥座下端部分容易出現(xiàn)塊狀脫落的主要原因。(4)由于閥面鉆井液沖刷作用嚴重,分析閥面的沖刷磨損特性得到閥面有無堆焊層的沖刷破壞分布趨勢基本一致,且泵閥表面磨損的分布趨勢與剪切力的分布趨勢基本一致。針對閥面有無堆焊層的情況發(fā)現(xiàn),泵閥工作表面堆焊鈷基合金后能有效的降低閥面受到的沖刷和磨損作用。本文在研究分析閥面失效的工作中,通過試驗和仿真在一定程度上找到了閥面失效的主要原因,并說明了對泵閥閥面進行鎢極氬弧焊堆焊Stellite6鈷基合金以提高閥面性能的可行性。對于后續(xù)對鉆井泵泵閥閥面的強化具有一定的參考價值。
[Abstract]:With the rapid development of petroleum drilling, domestic demand for oil and gas field of drilling pump is more and more big, the drilling pump working environment will become more and more severe. Hydraulic load of drilling pump to open and close contact with sand and mud and mud with corrosive and under high pressure pump caused by the erosive of valve the surface in cycle fatigue under the force of the valve body and the valve seat is the most prone to failure of drilling mud pump parts, often replaced in the field, wasting a lot of time. To solve the above problems, the drilling pump valve of macro and micro failure analysis and find out the main reason why the valve face failure; Stellite6 cobalt base alloy surfacing on valve surface by argon tungsten arc welding technology, the implementation of non surfacing layer hardness test, impact toughness test, wear test, shows that the valve surfacing cobalt based alloy can improve the valve The performance of body movement; approximate calculation by using Mathcad software, the results will be obtained as the initial conditions, simulation and analysis of flow field of the valve valve prepared for the UDF language, to analyze the valve shear stress and erosion characteristics; at the end of the valve surface of different materials, the fatigue life is studied in the course of the study. And the main results obtained are as follows: (1) with the aid of scanning mirror and optical microscope to scrap the mud pump valve body and valve seat surface in macroscopic and microcosmic failure analysis, and the seat material and heat treatment microstructure analysis, establishes the main failure reason for valve surface erosion wear, abrasive wear, fatigue wear and so on. (2) by TIG surfacing deposited on the surface of 20CrMnTi steel cobalt base alloy element concentration gradient, the diffusion effect is strong, in the welding process, the fusion line appeared at each element expansion surfacing layer and base material between Powder, good metallurgical bonding. The mechanical properties of the surfacing valve face after the experiments proved that the improved, a valve surfacing layer the average Rockwell hardness of HRC 45, Vivtorinox HV hardness was 412, increased by 20% compared to non impact toughness of welding quality, the wear volume is not only about 32% (when surfacing. 3) in the flow valve in the suction stroke, the intake valve valve valve and valve seat shear force increases first and then decreases. The wall shear stress in the body of the largest local cone, where the seat wall shear stress plays the most important role in the seat cone with a vertical surface junction. The structural characteristics of the valve and the seat itself, there is a transition between the valve body and the valve seat surface and the vertical force position relative to other larger valve gap valve surface, this is the lower part of the valve body and the valve seat is easy to appear the main reason of massive fall off. (4) the valve surface Drilling fluid erosion is serious, the erosion wear characteristics analysis of valve valve surface without surfacing layer erosion distribution trend is basically the same, the distribution trend of distribution trend and the shear force and the valve surface wear is basically the same. That on valve surface without surfacing layer, valve surfacing cobalt based alloy can effectively the lower valve surface is erosion and abrasion. Based on the analysis of valve failure surface work, through experiment and simulation to find the main reasons to a certain extent, the valve face failure, and that of the valve valve surface by TIG welding of Stellite6 alloy in order to improve the feasibility of the valve surface performance. For the follow-up of drilling pump valve surface strengthening has a certain reference value.

【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE92

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本文編號：1428540