20161105仿生表面织构及其在油气装备中的应用

4.4 织构隔水管绕流减阻－实验研究
雷诺数、织构参数 隔水管试样横向及纵向力分布影响规律
隔水管绕流减阻测试实验装置示意图 发明专利：一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法（ZL201511019556.6 ）
沟槽瞬时速度云图
(a)光滑圆柱
(b)沟槽圆柱
阻力系数曲线图
沟槽平均速度云图
(a)光滑圆柱
墨西哥湾隔水管破坏
深水钻井示意图
深水钻井隔水管
安哥拉钻井中隔水管破裂
二、仿生织构摩擦学简介
1.表面织构的概念
表面织构（surface texture）:就是在摩擦副表面加工出
具有一定尺寸、形状和排列的微小结构阵列。
表面织构优异功能：降低摩擦、减小磨损和提高承载能力， 是改善摩擦副摩擦学性能的一种有效手段。
温升曲线
2.3 织构类型对柱塞动密封配对副承载能力的影响
单个凹坑织构的仿真模型
边界条件：进出口 压力均为151.8MPa；移 动速度u=2.24m/s;织构 深度h=35μm；无织构 油膜厚度h0=0.958μm 。
结论：圆柱形、椭圆 形及方形微凹坑的油膜承 载能力显著优于无织构油 膜承载能力。
椭圆形凹坑
人字形沟槽
三角形凹坑
钻头滑动轴承缩比模型-优选织构轴颈与光滑轴颈的磨损形貌
合理的织 构参数布 置于轴颈 表面可显 著降低轴 承的粘着 磨损失效。
2.表面织构在柱塞动密封系统减磨应用中研究
2.1表面织构提升柱塞动密封系统润滑性能的可行性
编 号
0# 1# 2# 3#
凹坑直径 （mm）
自然界生物的体表微观形貌
2.表面织构的润滑减磨机理

产生附件流体动压 储存和补充润滑介质 捕捉磨损颗粒 提升润滑状态
3.表面织构的应用领域
提升了相对滑动摩擦副的润滑、 减磨性能；延长了产品的使用寿 命；
发动机气缸内部微结构
降低了高尔夫球在运动过程中 的空气阻力，提高了运动过程 中的平稳性；
圆形（圆柱形）
椭圆形织构
三角形织构 人字形织构 Submitted the paper to 7th International Conference on Surface Engineering
钻头滑动轴承缩比模型轴颈磨损量-不同织构类型
圆形（圆柱形）凹坑
优选的圆柱 形、椭圆形、 人字形和三 角形沟槽织 构参数可使 钻头滑动轴 承轴颈的减 磨效率提升 41.8%以上。
椭圆形和圆柱形织构摩擦系数变化曲线 优选织构磨损量随深度参数的变化 G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 12,1392(2014)
• 十字交叉形和波浪形 微沟槽织构存在优选 的面积比和夹角使配 对副的摩擦系数减磨
发明专利：织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试(授权：ZL201310416270.6）
1.2 缩比试验方案
几何相似
基于相似理论的钻头滑动轴承试样设计
索莫菲尔德相似
钻头滑动轴承模拟实验装置
1.3 钻头轴承摩擦副表面织构的设计
低速重载工况下润滑、减磨效果较优织构━引入钻头轴承
圆柱形凹坑
4.3 织构隔水管绕流减阻－仿真分析
探索隔水管表面布置仿生织构时，表面张力系数、升力系 数、斯特努尔哈数、速度分布和压力分布随织构形状、几 何参数和排列的变化规律，从而对减阻效果较优的表面织 构参数进行优化设计； 模型建立：基于雷诺相似设计模型尺寸。
入口
流速2m/s
出口
织构隔水管绕流减阻数值仿真分析模型
油气装备是石油天然
气勘探开发的重要支 撑，其性能和寿命在 很大程度上影响着石 油的开发成本和安全
一、油气装备工程背景
1 牙轮钻头工程背景
1.1 牙轮钻头结构与工况
井底 高温
一次 性脂 润滑 冲击 重载
工况 恶劣
低速 高压
牙轮钻头结构示意图
牙轮钻头工况示意图
钻头破岩过程模拟
1.2 牙轮钻头轴承失效形式
圆形凹坑
椭圆形凹坑
条形沟槽
方形沟槽
2.4 全尺寸织构柱塞试样的纳秒激光加工
全织构柱塞试样纳秒激光加工优选表面织构
发明专利：表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方案(ZL201310423514.3）,授权
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管
4.1 立管涡激振动抑制装置
旋 转 分 离 盘 旋转整流罩和实物
柱塞动密封组件的磨损引起泵腔压裂液的密封泄漏，严重影响柱塞 泵的综合工作性能，因此，亟需新的工艺及技术来提升柱塞动密封
组件的耐磨性能。
柱塞密封失效
泵阀冲蚀磨损
阀箱疲劳断裂
3. 隔水管的工程背景
隔 水管是连接平台与海底防喷器的关键设备，钻具、钻井液要通过数千
米的隔水管内部到达井底，隔水管受外部海洋环境与内部钻井工况的耦 合作用，容易发生磨损、断裂等事故；
展望
基于已有的研究进展，采用改进现有试验平台和修正理论分 析模型相结合的研究方法，开展织构摩擦学性能的研究必将 为仿生织构在井下工具中的应用和推广提供广阔的前景。
敬请各位专家批评指正
谢 谢！
无织构 0.11 0.12 0.2
面积比 (%)
0 0.5 1 2
排列 凹坑深度 润滑剂
— 交错 均匀 均匀
h=6～ 10μm
L-CKD 150
初步结论： 直径0.11～0.2mm,面积比0.5% ～ 2%，凹坑深度6 ～ 10μ m的圆柱形柱塞织 构可以显著的提高压裂泵柱塞密封系统的 减磨性能。
2.2 织构类型对柱塞动密封配对副摩擦磨损性能影响
(b)沟槽圆柱
升力系数曲线图
沟槽平均压力云图
(a)光滑圆柱
升力功率谱密度图
(b)沟槽圆柱
h=0.2,d=1.4,n=32
结论：合理的参数显著降低隔水管绕流的阻力和升力系数
五、结论与展望
结论
实验和理论研究论证了仿生表面织构可有效提升井下工具 润滑、减磨和减阻等摩擦学性能。 基于精密机械、纳秒激光和飞秒激光加工工艺和技术，所 设计的表面织构可有效的布置于井下工具的相对滑动摩擦 副表面。
摩擦系数曲线
磨损量曲线
结论： 柱塞试样表面布置有合适几何参数的圆柱 形、椭圆形及方形微凹坑，可显著提升刚 体-弹性体配对副的润滑、减磨性能。
X. He, et al, TRIBOLOGY, 04,364(2014). G.Wang et al, LUBRICATION ENGINEERING,40,17(2015).
仿生表面织构及其在 油气装备中的应用
王国荣
西南石油大学
2016-11-5
目 录
一、油气装备的工程背景 二、仿生织构摩擦学的简介 三、仿生织构减磨研究-钻头轴承与柱塞动密封副
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管 五、总结和展望
一、油气装备工程背景
石油和天然气是目前 一次能源的重要组成 部分
椭圆形凹坑
十字交叉形沟槽
波浪形沟槽
1.4 钻头轴承配对副表面织构的微加工
机械精密雕刻
纳秒激光雕刻
飞秒激光雕刻
曲面纳秒激光烧蚀- 1.圆形凹坑
2.椭圆形凹坑
3.人字形沟槽
4.三角形凹坑
1.5 钻头轴承（销-盘）配对副-织构的润滑减磨性能
钻头轴承配对副摩擦性能-圆形、椭圆形和微沟槽织构
优选圆柱形凹坑 d=300μm， γ=5.04%， h=40μm； 优选椭圆形凹坑 γ=10.08%；
不适用
附属管线控制
四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管
4.2 基于隔水管涡激振动－织构减阻新构想
洋 流
挠度 h
ຫໍສະໝຸດ Baidu
隔 水 由于洋流阻力作用，引起隔 管 水管轴向应力集中、振动幅
值增大，隔水管寿命降低。
首次提出隔水管浮力材料表面 布置合理织构参数的构想，进 而减小隔水管表面由于洋流引 起的横向力。
一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构(201410626829.2) 一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置（ 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) 国家科技进步特等奖（集体奖，个人第3/单位第5）
高尔夫球
降低了刀具粘着磨损，提高了 刀具的切削寿命；
发动机凸轮轴 织构切削刀具
三、仿生织构减磨-钻头轴承与柱塞动密封副 1.表面织构在钻头轴承润滑减磨应用中的研究
1.1单元试验方案
基于赫兹接触理论，钻头轴承轴颈与轴套简化为销 -盘试样的相对滑动。
钻头轴承工况转换为销-盘摩擦副工况的示意图
钻头轴承与销-盘摩擦副脂润滑示意图
性能较优；
微沟槽织构摩擦系数变化曲线 微沟槽织构磨损量变化曲线
G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 230,7783(2015)
钻头轴承配对副摩擦性能-Stribeck 参数和深径比
摩擦系数随Stribeck 参数的变化
优选微凹坑磨损量变化曲线
钻头轴承销-盘织构试样优选深径比为0.165和0.483时，润滑、减磨性能较优。
X. He, L. Zhong, et al, Industrial Lubrication and Tribology, 67, 630, 2015
(a) χ = 0
(b) χ = 0.165
塑性变形
磨料磨损
轴承断裂
牙轮钻头轴承失效破坏形式
黏着磨损
2 柱塞泵液力端工程背景
2.1 柱塞泵液力端结构与工况
大功率、大排量
工 况 恶 劣 和 复 杂
高排出压力
冲击动载
交变往复运动
2.1 柱塞泵液力端零部件失效形式
压裂泵液力端是目前出现事故最多、失效最严重的部件。主要表现
为泵阀冲蚀磨损、柱塞密封失效和阀箱疲劳断裂等三个方面；
无织构（左）与优选织构（右）磨损形貌对比
1.6 钻头轴承缩比模型配对副-织构的润滑减磨性能
钻头轴承缩比模型摩擦系数-不同织构类型
面积比5%-30%范 围内，圆柱形、 椭圆形、人字形 和三角形织构显 著提升了钻头轴 承的润滑性能； 针对所测试织构 参数，优选的织 构面积比参数可 使轴承的摩擦系 数降低43.2%以 上。