20161105仿生表面織構(gòu)及其在油氣裝備中的應(yīng)用.ppt

1、仿生表面織構(gòu)及其在油氣裝備中的應(yīng)用,王國榮,2016-11-5,西南石油大學(xué),目 錄,三、仿生織構(gòu)減磨研究-鉆頭軸承與柱塞動(dòng)密封副,四、仿生表面織構(gòu)減阻研究-深水鉆井隔水管,二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)的簡介,一、油氣裝備的工程背景,五、總結(jié)和展望,一、油氣裝備工程背景,石油和天然氣是目前一次能源的重要組成部分 油氣裝備是石油天然氣勘探開發(fā)的重要支撐，其性能和壽命在很大程度上影響著石油的開發(fā)成本和安全,一、油氣裝備工程背景,1 牙輪鉆頭工程背景,牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖,牙輪鉆頭工況示意圖,鉆頭破巖過程模擬,1.1 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)與工況,1.2 牙輪鉆頭軸承失效形式,牙輪鉆頭軸承失效破壞形式,塑性變形,磨料磨損

2、,黏著磨損,軸承斷裂,2 柱塞泵液力端工程背景,2.1 柱塞泵液力端結(jié)構(gòu)與工況,大功率、大排量,高排出壓力,沖擊動(dòng)載,交變往復(fù)運(yùn)動(dòng),工況惡劣和復(fù)雜,2.1 柱塞泵液力端零部件失效形式,泵閥沖蝕磨損,柱塞密封失效,閥箱疲勞斷裂,壓裂泵液力端是目前出現(xiàn)事故最多、失效最嚴(yán)重的部件。主要表現(xiàn)為泵閥沖蝕磨損、柱塞密封失效和閥箱疲勞斷裂等三個(gè)方面； 柱塞動(dòng)密封組件的磨損引起泵腔壓裂液的密封泄漏，嚴(yán)重影響柱塞泵的綜合工作性能，因此，亟需新的工藝及技術(shù)來提升柱塞動(dòng)密封組件的耐磨性能。,3. 隔水管的工程背景,隔水管是連接平臺(tái)與海底防噴器的關(guān)鍵設(shè)備，鉆具、鉆井液要通過數(shù)千米的隔水管內(nèi)部到達(dá)井底，隔水管受外部海洋

3、環(huán)境與內(nèi)部鉆井工況的耦合作用，容易發(fā)生磨損、斷裂等事故；,深水鉆井隔水管,墨西哥灣隔水管破壞,安哥拉鉆井中隔水管破裂,深水鉆井示意圖,1.表面織構(gòu)的概念,自然界生物的體表微觀形貌,表面織構(gòu)（surface texture）:就是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、形狀和排列的微小結(jié)構(gòu)陣列。 表面織構(gòu)優(yōu)異功能：降低摩擦、減小磨損和提高承載能力，是改善摩擦副摩擦學(xué)性能的一種有效手段。,二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)簡介,2.表面織構(gòu)的潤滑減磨機(jī)理,產(chǎn)生附件流體動(dòng)壓 儲(chǔ)存和補(bǔ)充潤滑介質(zhì) 捕捉磨損顆粒 提升潤滑狀態(tài),3.表面織構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部微結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸,織構(gòu)切削刀具,高爾夫球,提升了相對(duì)滑動(dòng)摩擦

4、副的潤滑、減磨性能；延長了產(chǎn)品的使用壽命；,降低了高爾夫球在運(yùn)動(dòng)過程中的空氣阻力，提高了運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)性；,降低了刀具粘著磨損，提高了刀具的切削壽命；,三、仿生織構(gòu)減磨-鉆頭軸承與柱塞動(dòng)密封副,1.表面織構(gòu)在鉆頭軸承潤滑減磨應(yīng)用中的研究,鉆頭軸承與銷-盤摩擦副脂潤滑示意圖,鉆頭軸承工況轉(zhuǎn)換為銷-盤摩擦副工況的示意圖,1.1單元試驗(yàn)方案 基于赫茲接觸理論，鉆頭軸承軸頸與軸套簡化為銷-盤試樣的相對(duì)滑動(dòng)。,發(fā)明專利：織構(gòu)化牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承及單元摩擦學(xué)性能測(cè)試(授權(quán)：ZL201310416270.6）,幾何相似,索莫菲爾德相似,基于相似理論的鉆頭滑動(dòng)軸承試樣設(shè)計(jì),鉆頭滑動(dòng)軸承模擬實(shí)驗(yàn)裝置,1.2 縮

5、比試驗(yàn)方案,1.3 鉆頭軸承摩擦副表面織構(gòu)的設(shè)計(jì),圓柱形凹坑,橢圓形凹坑,十字交叉形溝槽,波浪形溝槽,低速重載工況下潤滑、減磨效果較優(yōu)織構(gòu)引入鉆頭軸承,1.4 鉆頭軸承配對(duì)副表面織構(gòu)的微加工,機(jī)械精密雕刻,納秒激光雕刻,飛秒激光雕刻,曲面納秒激光燒蝕- 1.圓形凹坑,2.橢圓形凹坑,3.人字形溝槽,4.三角形凹坑,優(yōu)選織構(gòu)磨損量隨深度參數(shù)的變化,橢圓形和圓柱形織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線,微溝槽織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線,微溝槽織構(gòu)磨損量變化曲線,G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 12,1392(20

6、14),G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 230,7783(2015),優(yōu)選圓柱形凹坑d=300m， =5.04%，h=40m； 優(yōu)選橢圓形凹坑=10.08%；,十字交叉形和波浪形微溝槽織構(gòu)存在優(yōu)選的面積比和夾角使配對(duì)副的摩擦系數(shù)減磨性能較優(yōu)；,1.5 鉆頭軸承（銷-盤）配對(duì)副-織構(gòu)的潤滑減磨性能,鉆頭軸承配對(duì)副摩擦性能-圓形、橢圓形和微溝槽織構(gòu),鉆頭軸承配對(duì)副摩擦性能-Stribeck 參數(shù)和深徑比,摩擦系數(shù)隨Stribeck 參數(shù)的變化,無織構(gòu)（左）與優(yōu)選織構(gòu)（右）磨損形貌對(duì)比,優(yōu)選

7、微凹坑磨損量變化曲線,X. He, L. Zhong, et al, Industrial Lubrication and Tribology, 67, 630, 2015,鉆頭軸承銷-盤織構(gòu)試樣優(yōu)選深徑比為0.165和0.483時(shí)，潤滑、減磨性能較優(yōu)。,(b) = 0.165,(a) = 0,圓形（圓柱形）,橢圓形織構(gòu),人字形織構(gòu),三角形織構(gòu),面積比5%-30%范圍內(nèi)，圓柱形、橢圓形、人字形和三角形織構(gòu)顯著提升了鉆頭軸承的潤滑性能； 針對(duì)所測(cè)試織構(gòu)參數(shù)，優(yōu)選的織構(gòu)面積比參數(shù)可使軸承的摩擦系數(shù)降低43.2%以上。,1.6 鉆頭軸承縮比模型配對(duì)副-織構(gòu)的潤滑減磨性能,鉆頭軸承縮比模型摩擦系數(shù)-不

8、同織構(gòu)類型,Submitted the paper to 7th International Conference on Surface Engineering,鉆頭滑動(dòng)軸承縮比模型軸頸磨損量-不同織構(gòu)類型,圓形（圓柱形）凹坑,橢圓形凹坑,人字形溝槽,三角形凹坑,優(yōu)選的圓柱形、橢圓形、人字形和三角形溝槽織構(gòu)參數(shù)可使鉆頭滑動(dòng)軸承軸頸的減磨效率提升41.8%以上。,鉆頭滑動(dòng)軸承縮比模型-優(yōu)選織構(gòu)軸頸與光滑軸頸的磨損形貌,合理的織構(gòu)參數(shù)布置于軸頸表面可顯著降低軸承的粘著磨損失效。,2.表面織構(gòu)在柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)減磨應(yīng)用中研究,初步結(jié)論： 直徑0.110.2mm,面積比0.5% 2%，凹坑深度6 10m

9、的圓柱形柱塞織構(gòu)可以顯著的提高壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)的減磨性能。,2.1表面織構(gòu)提升柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)潤滑性能的可行性,結(jié)論： 柱塞試樣表面布置有合適幾何參數(shù)的圓柱形、橢圓形及方形微凹坑，可顯著提升剛體-彈性體配對(duì)副的潤滑、減磨性能。,X. He, et al, TRIBOLOGY, 04,364(2014). G.Wang et al, LUBRICATION ENGINEERING,40,17(2015).,2.2 織構(gòu)類型對(duì)柱塞動(dòng)密封配對(duì)副摩擦磨損性能影響,摩擦系數(shù)曲線,溫升曲線,磨損量曲線,圓形凹坑,橢圓形凹坑,條形溝槽,方形溝槽,邊界條件：進(jìn)出口 壓力均為151.8MPa；移動(dòng)速度u=2.2

10、4m/s;織構(gòu)深度h=35m；無織構(gòu)油膜厚度h0=0.958m 。 結(jié)論：圓柱形、橢圓 形及方形微凹坑的油膜承載能力顯著優(yōu)于無織構(gòu)油膜承載能力。,2.3 織構(gòu)類型對(duì)柱塞動(dòng)密封配對(duì)副承載能力的影響,單個(gè)凹坑織構(gòu)的仿真模型,發(fā)明專利：表面織構(gòu)化的壓裂泵柱塞及其動(dòng)密封系統(tǒng)性能測(cè)試方案(ZL201310423514.3）,授權(quán),2.4 全尺寸織構(gòu)柱塞試樣的納秒激光加工,全織構(gòu)柱塞試樣納秒激光加工優(yōu)選表面織構(gòu),四、仿生表面織構(gòu)減阻研究-深水鉆井隔水管,4.1 立管渦激振動(dòng)抑制裝置,旋轉(zhuǎn)分離盤,附屬管線控制,旋轉(zhuǎn)整流罩和實(shí)物,不適用,四、仿生表面織構(gòu)減阻研究-深水鉆井隔水管,一種減小隔水管柱所受洋流阻力的

11、浮力塊表面結(jié)構(gòu)(201410626829.2) 一種深水鉆井工況下隔水管振動(dòng)特性模擬試驗(yàn)裝置（ZL2013 2 0248422.1） Q.Y. Liu et al, Natural gas industry,12, 6(2013). S.W. Zhou,et al, China offshore oil and gas,6,1(2013) 國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)（集體獎(jiǎng)，個(gè)人第3/單位第5）,由于洋流阻力作用，引起隔水管軸向應(yīng)力集中、振動(dòng)幅值增大，隔水管壽命降低。,首次提出隔水管浮力材料表面布置合理織構(gòu)參數(shù)的構(gòu)想，進(jìn)而減小隔水管表面由于洋流引起的橫向力。,4.2 基于隔水管渦激振動(dòng)織構(gòu)減阻新構(gòu)想,

12、4.3 織構(gòu)隔水管繞流減阻仿真分析,入口,出口,流速2m/s,織構(gòu)隔水管繞流減阻數(shù)值仿真分析模型,探索隔水管表面布置仿生織構(gòu)時(shí)，表面張力系數(shù)、升力系數(shù)、斯特努爾哈數(shù)、速度分布和壓力分布隨織構(gòu)形狀、幾何參數(shù)和排列的變化規(guī)律，從而對(duì)減阻效果較優(yōu)的表面織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)； 模型建立：基于雷諾相似設(shè)計(jì)模型尺寸。,隔水管繞流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,雷諾數(shù)、織構(gòu)參數(shù),隔水管試樣橫向及縱向力分布影響規(guī)律,4.4 織構(gòu)隔水管繞流減阻實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)明專利：一種隔水管繞流阻力系數(shù)和升力系數(shù)的測(cè)定裝置及方法（ZL201511019556.6）,溝槽瞬時(shí)速度云圖,溝槽平均速度云圖,溝槽平均壓力云圖,升力功率譜密度圖,升力系數(shù)曲線圖,阻力系數(shù)曲線圖,(a)光滑圓柱,(b)溝槽圓柱,(a)光滑圓柱,(b)溝槽圓柱,(a)光滑圓柱,(b)溝槽圓柱,結(jié)論：合理的參數(shù)顯著降低隔水管繞流的阻力和升力系數(shù),h=0.2,d=1.4,n=32,結(jié)論,五、結(jié)論與展