十字头和导板摩擦失效原因分析

西安石油大学 刘战锋

兰州兰石集团有限公司 李 俊

十字头和导板摩擦失效原因分析

西安石油大学 刘战锋

兰州兰石集团有限公司 李 俊

根据摩擦学理论，分析了钻井泵十字头和导板摩擦失效的原因。通过改进导板材料，改善导板加工和热处理工艺，基本解决了导板变形问题，从而大大降低了零件失效的发生。

十字头和导板摩擦失效；导板变形；新材料；新工艺；去应力退火

1.引言

国内转化、生产的美国钻井泵在试车和油田现场高压作业时，经常发生十字头和导板摩擦失效的现象，因零件报废而频繁更换导致钻机中断作业，不但耽误了生产进度，也给企业带来较大的经济损失。由于造成摩擦失效的原因比较复杂，因此多年来始终没有得到解决。为了尽量避免十字头和导板之间的摩擦失效问题，本文拟分析十字头和导板摩擦失效的原因，并通过改进导板材料，改善导板加工和热处理工艺使该问题得以改善。

2.十字头和导板摩擦失效机理分析

摩擦副在高速滑动中，当两者之间的压力负荷超过其中较软材料的一定硬度值时，摩擦副表面的氧化膜被压溃，两表面之间微凸体互相嵌入而被粘结发生瞬间撕裂，撕下的金属微粒作为磨料切削摩擦副表面，使摩擦零件急剧磨损，表面很快被破坏，导致摩擦副失效。造成摩擦副失效的主要因素有：(1)润滑油脂因素；(2)材料因素；(3)温度因素；(4)压力因素；(5)滑动速度；(6)表面粗糙度。其中，润滑状态对摩擦副产生粘着磨损影响极大，为了确保摩擦副表面保持足够强度的润滑膜，避免产生干摩擦或半干摩擦，就会有效防止和控制粘着磨损的产生和发展。当摩擦副之间压力负荷超过摩擦副材料硬度的一定值时，摩擦副表面氧化膜被压溃，两表面之间新生面的凸出点互相嵌入，相互移动时，使此类磨损急剧扩展，导致摩擦副失效。根据以上摩擦学理论分析可得出钻井泵十字头和导板发生摩擦失效的原因：(1)润滑不充分；(2)摩擦副承受载荷较大；(3)摩擦副的材质硬度不匹配。

当钻井泵重负荷运转时，十字头和导板之间的低强度润滑膜就会被破坏而造成摩擦副之间的干摩擦，当摩擦副承受的压力负荷超过相对较软的导板材料一定硬度值时，相对较硬的十字头表面的微凸体将嵌入导板表面，当相对运动时导板瞬间被研伤，导致两零件摩擦失效。如果摩擦副材料的石墨含量增大时，将有利于润滑状态的改善，形成足够强度的润滑膜，从而避免导板拉伤的发生。为此，通过采用新材料、新工艺、新技术是改善十字头和导板摩擦失效问题的有效途径。

3.国内导板材料现状分析

国内导板采用的材料通常为HT250，其材料要求的抗拉强度≥250MPa，硬度值为HB170—210。对灰铸铁而言，设计手册上对材料的成份含量并没有严格规定，而是用材料的抗拉强度定义其材料牌号。灰铸铁材料的抗拉强度和硬度由原材料、熔化工艺、处理工艺及铸件的冷却速度等因素确定。在国内某个铸造车间内，对于同样牌号、壁厚和质量相近的灰铸铁件，上述因素基本保持一致。因此，我们对铸造车间制造灰铸铁件提出硬度和抗拉强度的要求。经现场核实，在正常情况下，导板硬度值大致在HB170左右。因此，为了达到设计要求的硬度值HB170—210，生产厂家必然采取以下传统的工艺手段：(1)加快冷却速度，在共析转变温度以上开箱；(2)合金化处理，通过添加铬、钼、铜等元素成份细化晶粒；(3)降低碳、硅含量，提高锰含量。

《机械设计手册》第八篇“失效分析和故障诊断”中“摩擦副材料对磨损失效的影响”一文指出,铬、钼、铜、锰等与铁元素所组成的材料副互溶性大，易与其粘着而导致粘着磨损失效，而铁与非金属材料(如塑料、石墨等)的互溶性小，可以避免磨损失效的问题。因此，通过增加导板材料中的石墨含量，可以改善因导板硬度高造成与十字头粘着而产生摩擦失效的问题。

当然，摩擦副失效并非某个单一因素造成，而是由综合因素叠加而成的。美国钻井泵导板所用的原材料牌号为ASTM A48 Gr.40(灰铁)，国内通常采用化学分析和力学性能与其相当的QT 450-10来替代，QT 450-10是铁素体球墨铸铁，虽具有一定的强度和良好的塑性，但其弹性模数很高(约为E=170000～180000MN/m2参考)，产生残余应力的倾向为灰铸铁的2～3倍。因此，采用热处理去应力不能完全消除导板筒在铸造和加工过程中产生的内应力。两种应力的叠加以及材料的稳定性较差，使导板筒剖开成四片后导板产生更大的变形，这种变形的趋势、大小和方向都无法通过检测验证，使导板变形问题在前期不易被发现。尤其美国钻井泵的导板壁厚小于国内3NB钻井泵导板壁厚，使导板变形问题在美国钻井泵上表现的更为突出。

4.改善十字头和导板摩擦失效的工艺措施

在不改变导板零件尺寸和形位公差的前提下解决现有问题，需要对导板在材料、加工工艺和热处理工艺三个方面进行优化改进，以下是我们针对导板材料特性和加工特点所拟定的新工艺流程：

(1)鉴于球墨铸铁材料(QT 450-10)所存在的缺点，现将美国钻井泵导板材料ASTM A48 Gr.40结合国家标准GB/T7216和GB/T9439，制定如下技术要求：

(2)在铸造工序后增加一序去应力退火以优化导板筒的工艺流程：铸造→去应力退火→加工→去应力退火→加工→装配；

(3)在保证导板能够完全加工出来的情况下，尽可能的减少毛坯粗加工余量和精加工余量，降低加工应力对零件的影响；

(4)优化两次热处理工艺参数，确保能够基本消除铸造和粗加工应力。

采用ASTM A48 Gr.40美国灰铁材料，按以上新工艺进行导板筒毛坯制作，然后按优化后的工艺流程进行热处理、加工，发现两次去应力热处理的随炉试样的力学性能Rm≥276～325Mpa和硬度HB170～210均符合技术要求的规定，检测数据表明去应力热处理温度对该材料的强度和硬度没有造成影响。加工后的导板筒按照图样要求逐件进行检验，合格后划线转铣床将导板筒剖开成四片、钻孔、打毛刺；检验安装孔中心距合格后进行安装。导板安装时，严格按照图样要求控制检验，检查螺栓扭矩、导板与导板座之间的间隙。同时保证十字头、连杆、十字头销、曲轴总成等零部件装配符合钻井泵总装图样和形位公差的要求。

5.结束语

通过采用尺寸稳定性较高、减震性能良好的灰铁材料，以及在铸造、力学性能、金相组织方面做的大量改进工作，提高了导板质量的稳定性和可靠性，加工后导板的变形基本得到有效控制。当然，十字头和导板摩擦失效问题偶尔还会出现，但主要是由于机架焊接后的喷丸没有及时清理或组装环境的清洁度未得到充分保证而引起的，相信随着操作工人质量意识的不断上升和各环节的有效控制，问题就会得到彻底改善，既提高了生产效率，又降低了生产成本，最终满足了使用要求。

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刘战锋（1962—），陕西西安人，1983年毕业于西安交通大学，西安石油大学教授，从事机械教学和科研工作。

李俊（1971—），山东章丘人，1995年毕业于甘肃工业大学，兰州兰石集团有限公司高级工程师，从事质量管理工作。