NOV240HEX型泥浆泵液力端常见失效分析

NOV240HEX型泥浆泵液力端常见失效分析

魏松

【摘要】通过对新型NOV 240 HEX泥浆泵液力端常耗配件缸套、活塞、阀及阀

座在实际运行中的失效问题进行分析,总结这些常耗配件的失效原因,提出相应的针

对性措施.在以后的生产作业中延长其使用寿命,降低平均无故障间隔时间,降低材料使用成本,提高经济效益.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2019(000)002

【总页数】3页(P97-99)

【关键词】泥浆泵;缸套;活塞;阀;润座

【作者】魏松

【作者单位】中海油田服务股份有限公司,广东湛江527057

【正文语种】中文

【中图分类】TE921

0 引言

某海上石油钻井平台上的NOV 240 HEX型泥浆泵是国内首次使用的新型泥浆泵，其工作原理为两台电动机驱动一个异形凸轮旋转，通过异形凸轮与6个滑轮将旋

转运动转换为6个缸的往复运动，如图1所示。

该泵具有排量大（235 m3/h）、排压高（7500 psi）、排出压力稳定等特点[1]。

该泵液力端与普通三缸往复泵液力端使用的常耗配件也有不同，其单价较高。为提高其经济性，本文对这些常耗配件缸套、活塞、阀及阀座在实际运行中的失效问题进行分析，总结了其失效原因，提出了一些预防措施，以期在以后的生产作业中延长其使用寿命。

图1 240 HEX Pump 剖视图

1 缸套

该平台上NOV 240 HEX型泥浆泵使用的缸套为NOV公司的“Mission Ceramic Liner”陶瓷缸套。其使用寿命正常情况下可达7000 h。由于其表面的高硬度，相比于其他类型缸套它不易被磨损[2]，这意味着更长的活塞更换时间。如果使用得当，将大大减少材料成本。缸套剖视面如图2所示。

图2 缸套剖视面

1.1 缸套失效分析

图3 缸套磨损

由于缸套材质为陶瓷，腐蚀、泥浆中的固相、泥浆温度、泥浆的化学性对其影响较小。其主要的提前失效形式是活塞行程区域的陶瓷表面磨损，如图3所示。

此类磨损通常是由于活塞的金属部位与陶瓷表面产生了硬滑动接触。这种硬滑动接触大多是由泵动力端和液力端的不对中导致的。同时，陶瓷表面的磨损量会随着时间受到不对中度、工作压力、冲数、泥浆温度的影响。陶瓷表面的磨损形式通常是陶瓷材料的微小裂纹的聚集和扩大。这些裂纹对于缸套的耦合件即活塞具有磨蚀作用。此类裂纹非常坚硬并且不会消退，只能更换整个缸套。通常，缸套内磨损的部位颜色会发生变化，质地也不再光滑，可以据此来判别缸套是否被磨损。

1.2 针对性措施

1）在安装陶瓷缸套时，不能使用榔头敲击。在安装活塞和活塞杆时注意避免掉落，导致活塞凸缘损坏缸套内壁。在第一次安装中，缸套可能需要磨合，即造成第一个

活塞使用寿命减少，之后活塞寿命会恢复正常。

2）提高对中度。由于更换动力端和液力端之间的中心拉杆密封格兰需要将过渡连杆和活塞取出。故在完成中心拉杆密封格兰更换后需要回装过渡连杆和活塞。此时应特别注意，将密封格兰回装到位后保持固定螺栓松动，直到液力端安装好，活塞也处于缸套内时再上紧密封格兰的螺栓到要求的转矩。这样可以避免密封格兰对中心拉杆对中度的影响，也可以延长密封圈的使用寿命。

避免活塞松动。更换活塞时需要将活塞固定螺栓拆掉，装好新活塞后，需将其固定螺栓上紧到要求的转矩（500 Ft-Lbs，约合6774.41 N·m）。由于中心拉杆上部与动力端的连接是球铰式，故需要工具或自制工架将活塞杆固定，并使用转矩扳手将固定螺栓上到要求的转矩。

2 活塞

该平台上NOV 240 HEX型泥浆泵使用的活塞为NOV公司的“Blue Lightning Piston”聚氨酯活塞。此活塞额定工作最高温度为93 ℃，额定最大工作压力为7500 psi（约合51.71 MPa），适用于水基、油基泥浆。活塞配件如图4所示。图4 活塞配件

2.1 活塞失效分析

此类活塞通常有4种失效形式：高温形变、挤压形变、磨损形变、化学腐蚀。在多种不利条件下，失效会加快。

图5 活塞高温形变

图6 活塞挤压形变

1）高温形变。高温失效的聚氨酯活塞会出现凹陷，类似融化蜡烛样的表面。这种情况通常是高泥浆温度、冲洗水不足、摩擦热量导致的。标准聚氨酯活塞（非高温型）的最大工作温度为82 ℃。发生高温形变的聚氨酯活塞如图5所示。

2）挤压形变。挤压形变的聚氨酯活塞呈现裂纹，表面粗糙，在活塞下班凸缘往上

有材质损失，聚氨酯表面边缘锋利且粗糙。此类挤压形变的提前失效通常是由于工作压力长时间过大。发生挤压形变的活塞如图6所示。

3）磨损形变。磨损形变的聚氨酯活塞会有材质损失，表面会粗糙但没有裂纹。活塞表面有纵向磨痕，泥浆中的固相杂质进入了活塞表面与缸套表面之间。发生磨损形变的活塞如图7所示。

4）化学腐蚀。受化学腐蚀失效的聚氨酯活塞从外观上不易判别，聚氨酯部件可能会变软或者膨胀。通常这种失效情况下会有强烈的化学溶剂的刺激性味道。这种情况只出现在少数泥浆基质或泥浆添加剂中。

图7 活塞磨损形变

5）综合条件。失效有时是由多种条件综合影响的。比如在磨损条件下，泥浆会进入被磨损的空间，进而对活塞产生一个侧向的压力，导致活塞另一侧摩擦急剧增大，进而产生异常热量，出现异常高温，引起高温失效。

2.2 针对性措施

为得到最佳的活塞性能，泥浆泵需得到合适的灌注，泵对中性良好，缸套处于良好状态，冲洗水系统工作正常。泥浆温度、泥浆固相、泥浆化学性、工作压力、泵速对于活塞使用寿命也有一定影响。

泥浆灌注泵应该工作正常，提供足够的泥浆压力与流量，否则活塞可能会从活塞唇后部吸入空气，并造成水击导致异常振动，损坏活塞。同时，足够的灌注量会有利于活塞在回程中保持对中，避免活塞凸缘与缸套擦挂。合适的灌注泵压力应为4 bar（0.4 MPa）。

泥浆泵的对中度是影响活塞及缸套使用寿命的重要因素。不对中是活塞异常摩擦生热的直接原因，会明显提高活塞与缸套接触面温度，这样的温度会轻易超出活塞的额定工作温度。对于聚氨酯活塞，它会使材料软化变形，在外观上呈凹陷光滑状，部分有颜色上的变化。