30CrMo合金钢的冲蚀磨损性能研究

２０１２年４月　润滑与密封　ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ａｐｒ．２０１２　Ｖ０１．３７　Ｎｏ．４　第３７卷第４期　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１２．０４．００４　３０ＣｒＭｏ合金钢的冲蚀磨损性能研究　张继信　樊建春　张来斌　姜（１．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院心　谢永金　吴汉川　湖北荆州４３４０２４）　北京１０２２４９；２．中国石油化工股份有限公司　江汉油田分公司　湖北潜江４３３１２４；３．中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂摘要：采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机，研究在水力压裂工况下，高速携砂液对高压管汇材料３０ＣｒＭｏ的冲蚀磨　损作用，分析冲蚀磨损机制以及冲蚀角度和冲蚀速度对３０ＣｒＭｏ合金钢冲蚀性能的影响。结果表明，３０ＣｒＭｏ合金钢在高　速粒子冲击下，其耐冲蚀磨损性能表现一般，属于典型的金属塑性材料；冲蚀角度为３０。时，３０ＣｒＭｏ的冲蚀磨损量最　大；３０ＣｒＭｏ的磨损机制与冲蚀角度有直接的关系，冲蚀角度小于３Ｏ。时，冲蚀磨损机制以切削模型为主，大于３Ｏ。时以　局部塑性变形模型为主；冲蚀磨损量随冲击速度增加而显著增加，在高速冲击时，３０ＣｒＭｏ钢的冲蚀磨损较为严重。　关键词：３０ＣｒＭｏ；冲蚀磨损；冲蚀角度；冲蚀速度　中图分类号：ＴＧ１７２．８５文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１２）４—０１５—４　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｅｒｏｓｉｏｎ　Ｗｅａｒ　ｏｆ　３０　ＣｒＭｏ　Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｘｉｎ　Ｆａｎ　Ｊｉａｎｃｈｕｎ　Ｚｈａｎｇ　Ｌａｉｂｉｎ　Ｊｉａｎｇ　Ｘｉｎ　Ｘｉｅ　Ｙｏｎｇｊｉｎ　Ｗｕ　Ｈａｎｃｈｕａｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｈａｎ　Ｏｉｌｉｆｅｌｄ　Ｂｒａｎｃｈ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｑｉａｎｊｉａｎｇ　Ｈｕｂｅｉ　４３３　１２４，Ｃｈｉｎａ；　３．ＳＪ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ　Ｈｕｂｅｉ　４３４０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅａｒ　ｔｅｓｔ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｖｅ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉｐｈａｓｅ　ｆｌｕｉｄ　ｗｉｔｈ　ｓａｎｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅａｒ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅｎ／＂ｒｕｌｅ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｍｅｔａｌ　ｉｎ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｉｍｐａｃｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｍａｓｓ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｔｕｒｎｓ　ｕｐ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　３０。．Ｔｈｅｒｅ　ａｙｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｗｅａｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ａｔ　ｓｍａｌｌ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅ．ａｎｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｌｏｃａｌ　ｐｌａｓ—　ｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｔ　ｌａｒｇｅ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅ．Ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅａｌ＂ｍａｓｓ　ｌｏｓｓ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ，　ａｎｄ　３０ＣｒＭｏ　ｈａｓ　ｓｅｖｅｒｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅａｌ＂ａｔ　ｈｉｇｈ　ｉｍｐａｃｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３０ＣｒＭｏ；ｅｒｏｓｉｏｎ　ｗｅａｌ　；ｉｍｐａｃｔ　ａｎｇｌｅｓ；ｉｍｐａｃｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　３０ＣｒＭｏ合金钢是一种具有高强度、高塑性和高　韧性的结构钢，通常是在调质热处理或正火后使用，　在石油化工工业中可用于加工制造５００　ｏＣ以下受高压　的法兰和螺母，以及高压管汇连接件如弯头、三通　等。冲蚀磨损一般是指固体粒子在流体介质携带下以　一象，是引起设备失效或材料破坏的一个重要原　因　。在石油和天然气工业中，水力压裂工艺中作　为支撑剂的固体颗粒，在高速注人的压裂液携带下会　对控制设备和高压管汇壁面产生严重的冲蚀破坏，油　田注水作业中，液体中携带的颗粒对管汇壁面也会造　成一定的冲蚀破坏。由于压裂施工中压裂管线压力从　定的速度对材料表面进行冲击，导致材料损耗的现　几十兆帕到上百兆帕，一旦因冲蚀破坏导致发生刺　｝基金项目：“十二五”国家科技重大专项（２０１ｌＺＸ０５０４８）．　收稿日期：２０１１—１２—０８　漏、破裂或控制失灵很可能会造成设备损坏、人员伤　亡并造成严重的后果。目前，关于３０ＣｒＭｏ冲蚀磨损　性能方面的公开文献较少，本文作者将从实验出发，　研究３０ＣｒＭｏ材料在水力压裂工况下的冲蚀磨损　性能。　作者简介：张继信（１９８３一），男，博士研究生，研究方向为井　口设备安全检测及评价技术、高压管汇冲蚀行为研究．Ｅ—ｍａｉｌ：　ｚｊｘｌ１６３＠１６３．ｔｏｍ．　１６　润滑与密封　第３７卷　１　实验部分　１．１　实验装置　为１５。、３０。、４５。、６０。、７５。和９０。，冲蚀介质的速度　可通过调节变频器控制砂浆泵流量，或调整主管道和　实验在自制的喷射型冲蚀磨损试验机上进行，图　旁路的调节阀以及改变喷嘴大小等方法来实现，冲蚀　速度在０～５０　ｍ／ｓ之间连续可调。　１是实验装置示意图。试样的冲蚀攻角可调节，分别　图１喷射型冲蚀磨损试验机　Ｆｉｇ　１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｍａｃｈｉｎｅ　１．２　实验材料　能见表１，２。实验前试样用丙酮清洗干净后烘干，　用测量精度为１　ｍｇ的ＬＰ５０３型分析天平对实验前后　的试样进行称重，每次实验取３个试样，结果取平　均值。　１．２．１试样的制备　将３０ＣｒＭｏ钢板切成尺寸为１６０　ｍｍ×５０　ｍｍ×　６　ｍｍ的试样，调质处理，材料的化学成分及力学性　表１　３０ＣｒＭｏ的化学成分（质量分数）　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｍａｔｅｒｉａｌ　％　表２　３０ＣｒＭｏ材料的力学性能　Ｔａｂｌｅ　２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｍａｔｅｒｉａｌ　１．２．２冲蚀介质　烧结而成，具有耐高温高压、耐腐蚀、强度高、圆球　度好、导流能力强等优点。每次实验前都要更换　新砂。　１．３试验步骤　流体冲蚀介质采用清水加砂，携砂液中砂比体积　分数为１４％，砂粒粒径为３０～５０目。砂粒采用水力　压裂工艺常用的陶粒支撑剂，以铝矾土为主要原料，　陶粒砂经破碎细磨成微粉后，配以各种添加剂，高温　（１）安装试样，调整试样与喷嘴口的距离，调　１８　润滑与密封　第３７卷　击粒子的动能相应地增加，因此磨损量增大。冲蚀　速度大于１０　ｍ／ｓ时，冲蚀速度对材料磨损量的影响　非常明显，材料的磨损量与冲蚀速度呈指数关系；在　冲蚀速度小于７　ｍ／ｓ时，材料的冲蚀磨损量较小，可　认为，速度较小时，冲击粒子的动能较小，冲蚀粒子　在与试样表面碰撞后，速度的水平分量很小，不能在　材料表面留下长的切削痕迹，而高速粒子冲击时，由　于速度快，能量高，冲蚀粒子能在材料表面上滑过较　长的距离，这一过程不断重复进行，材料的破坏也相　应要严重得多。试验结果表明了粒子的冲击速度对　３０ＣｒＭｏ钢的冲蚀磨损量有重要的影响。因此，压裂　作业时控制压裂液的排量，可有效地减小管道，特别　是弯头部位的冲蚀磨损量。　粒的硬度大于试样表面，在高速砂粒冲击作用下更容　易导致试样表面剥落等形式的磨损。　（３）试验结果表明３０ＣｒＭｏ的抗冲蚀性能一般，　如果其工作状况是高速流体并含有大量颗粒杂质，应　该采用表面强化的方法如机械加工、扩散处理、表面　涂覆等方法来控制和减少冲蚀磨损。　参考文献　【１】孙家枢．金属的磨损［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９２：４４０—　４４１．　【２】刘家浚．材料磨损原理及其耐磨性［Ｍ］．北京：清华大学出　版社，１９９３．　【３】李诗卓，董祥林．材料的冲蚀磨损与微动磨损［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，１９８７．　【４】潘牧，罗志平．材料的冲蚀问题［Ｊ］．材料科学与工程，１９９９，　１７（３）：９２—９６．　壶　鞲　啦　基　鸯　Ｐａｎ　Ｍｕ，Ｌｕｏ　Ｚｈｉｐｉｎｇ．Ｅｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉ—　ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，１７（３）：９２—９６．　【５】董刚，张九渊．固体粒子冲蚀磨损研究进展［Ｊ］．材料科学与　工程学报，２００３，２１（２）：３０７—３１２．　Ｄｏｎｇ　Ｇａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｕｙｕａｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆ　Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉ．　图４冲蚀速度对３０ＣｒＭｏ试样冲蚀磨损的影响曲线（０＝３０。）　Ｆｉｇ　４　Ｅｒｏｓｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ｏｆ　３０ＣｒＭｏ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ＶＳ．　ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，２１（２）：３０７—３１２．　ｌｆｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｍｕｈｉｐｈａｓｅ（０＝３０。）　【６】吴晶华，汤文成，徐鸿翔，等．微磨粒冲蚀磨损的数值分析方　法［Ｊ］．润滑与密封，２００８，３３（９）：１６—２０．　Ｗｕ　ＪｉｎｇｈＨａ，Ｔａｎｇ　Ｗｅｎｃｈｅｎｇ，Ｘｕ　Ｈｏｎｇｘｉａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　３结论　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｅｒｏｓｉｖｅ　ｗｅａｒ［Ｊ］．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎ—　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，３３（９）：１６—２０．　（１）３０ＣｒＭｏ的冲击磨损试验表明：冲击角度较　小时材料磨损主要以切削模型为主，大攻角时材料磨　损以局部塑性变形模型为主。因此３０ＣｒＭｏ钢在受冲　蚀的过程中，其磨损机制并不是简单地固定为某一种　模型。　【７】Ｋａｒｉｍｉ　Ａ，Ｖｅｒｄｏｎ　Ｃ．Ｓｌｕｒｒｙ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｓｐｒａｙｅｄ　ＷＣ２Ｍ　ｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９５，１８６／１８７：４８０—４８６．　【８】Ｆｉｎｎｉｅ　Ｉ．Ｓｏｍｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｄｕｃｔｉｌｅ　ｍｅｔａｌｓ　［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９７２，１９：８１—９０．　（２）冲蚀速度与材料冲蚀磨损量满足一定的指　数关系，随着冲蚀速度的增大，冲蚀磨损量显著增　加，对于塑性材料，抗切削的能力较弱。这是由于砂　【９】Ｆｉｎｎｉｅ　Ｉ，ＭｃＦａｄｄｅｎ　Ｄ　Ｈ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｕｃｔｉｌｅ　ｍｅｔｌａｓ　ｂｙ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｔ　ｌｏｗ　ａｎｇｌｅｓ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，　１９７８，４８：１８１—１９０．　（上接第１４页）ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｓ　ｂｙ　ｌａｓｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ　［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１７ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｕｍｐ　Ｕｓｅｒ　Ｓｙｍｐｏ—　ｓｉｕｍ．２０００：１７—２２．　ｌａｒ　ｍｉｃｒｏｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９９６，３９　（３）：６６７—６８３．　【７】于新奇，蔡仁良激光加工多孔端面机械密封［Ｊ］．河北科技　大学学报，２００４，２５（１）：２６—２８．　Ｙｕ　Ｘｉｎｑｉ，Ｃａｉ　Ｒｅｎｌｉａｎｇ．Ｌａｓｅｒ—ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　【５　Ｊ于新奇，王振辉，高惠琴，等．激光加工多孔端面机械密封的　摩擦性能分析［Ｊ］．润滑与密封，２００７，３２（７）：９０—９３．　Ｙｕ　Ｘｉｎｑｉ，Ｗａｎｇ　Ｚｈｅｎｈｕｉ，Ｇａｏ　Ｈｕｉｑｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｆｒｉｃ・　ｍｉｃｒｏ—ｐｏｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２５（１）：２６—２８．　ｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌａｓｅｒ　ｔｅｘｔｕｒｅｄ　ｆａｃｅ　［Ｊ］．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３２（７）：９０—９３．　【８】顾永泉．机械密封实用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２０ｏ】．　【６】Ｅｔｓｉｏｎ　Ｉ，Ｂｕｒｓｔｅｉｎ　Ｌ　Ａ．Ａ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｒｅｇｕ—