陳衛(wèi)衛(wèi)，魏國強(qiáng)，周桂菊,魏 智

（ 1.天津市禾厘油氣技術(shù)有限公司，天津 300451；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130）

鉆井平臺滑動磨損機(jī)理與對策研究

陳衛(wèi)衛(wèi)1，魏國強(qiáng)1，周桂菊1,魏 智2

（ 1.天津市禾厘油氣技術(shù)有限公司，天津 300451；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130）

大噸位海上石油鉆井平臺在應(yīng)用中，其滑動模塊的劃痕磨損有時比較嚴(yán)重，若不采取措施消除這種問題，將會帶來安全隱患。文章對海上石油平臺滑動模塊的磨損問題進(jìn)行了多角度的分析，利用工程軟件建立了受力和變形分析模型，對不同工況進(jìn)行了應(yīng)力和變形狀況對比分析，同時也考慮到雜質(zhì)、溫度等其他因素的影響，探討了磨損劃痕問題的產(chǎn)生機(jī)理，并針對磨損問題從結(jié)構(gòu)、表面處理和潤滑等方面提出了幾種改進(jìn)方案。

鉆井平臺；軌道；滑動磨損；改進(jìn)方案

1 鉆井平臺軌道劃痕的特點

當(dāng)前，很多鉆井平臺在軌道滑鞋所組成的滑動副上都有磨損劃痕存在，尤其是大噸位鉆井設(shè)備模塊的應(yīng)用安裝現(xiàn)場，這種劃痕現(xiàn)象更為嚴(yán)重，從整個鉆井平臺行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，如果不采取適當(dāng)措施消除這種磨損劃痕問題，將會帶來安全隱患。通常所產(chǎn)生的劃痕主要有以下3個特點：

（1）存在很深的劃痕槽。經(jīng)現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的工程師檢驗，認(rèn)為軌道滑鞋滑動副之間存在異物，該異物硬度大于軌道和滑鞋所用材料D36的表面硬度，在初次滑動之前可能沒有將軌道上的異物清除干凈而使其進(jìn)入滑動副之間，進(jìn)而嵌入接觸材料，導(dǎo)致了很深的劃痕槽。

（2）劃痕的位置有規(guī)律。通過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)多處劃痕位于軌道中部附近區(qū)域，而該區(qū)域下方為軌道工字型支撐結(jié)構(gòu)的肋板所處位置，所以初步推斷，在實際接觸時，摩擦副的接觸面積比理論接觸面積要小很多，原因可能是軌道面在預(yù)制過程中某些環(huán)節(jié)相互作用而導(dǎo)致肋板兩側(cè)下彎。

（3）存在較大的撕裂坑狀磨損。某個表面與另一表面產(chǎn)生耦合，當(dāng)發(fā)生相對滑動且耦合強(qiáng)度大于材料的剪切強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生材料被剝離基體的情況，剝離出的材料耦合粘結(jié)到另一材料上，隨著運動和剝離體嵌入另一材料的程度不斷加大，就會發(fā)生更加劇烈的粘著磨損，導(dǎo)致嚴(yán)重磨損的結(jié)果。

2 軌道與滑鞋在不同工作條件下應(yīng)力和溫度狀況

在平臺設(shè)計過程中，無論是對軌道本身的平面度、直線度，還是兩個軌道之間的平行度等，都進(jìn)行了嚴(yán)格的設(shè)計約束規(guī)定，但是在預(yù)制完成及投入正常使用后，沒有驗證這些約束量的具體數(shù)據(jù)，在操作工況下這些指標(biāo)很可能不滿足使用要求。

此外，對于滑動副材料 （D36）只是經(jīng)驗性地進(jìn)行沿用，在載荷和工況不斷變化的情況下，這種材料是否還能滿足當(dāng)前的使用條件，在正常操作過程中，這種材料是否還安全可靠，都還需要根據(jù)實際情況深入探討，不斷進(jìn)行改進(jìn)或者重新選擇。

針對目前的磨損狀況，結(jié)合現(xiàn)場觀察、研究，初步認(rèn)為是滑軌在現(xiàn)在的工況下處于非完全接觸狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致滑軌摩擦過程中所受應(yīng)力與溫度處于非正常狀態(tài)，為磨損的產(chǎn)生創(chuàng)造了基本條件，下面以ANSYS軟件為基本工具，建立與實際情況相對應(yīng)的模型，進(jìn)行不同工況下的應(yīng)力和溫度分析，對磨損產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析研究，提出改進(jìn)方案，最終解決磨損問題。

在已知數(shù)據(jù) （如軌道、滑鞋的具體尺寸、工作載荷）時，針對不同平行度的假設(shè)，利用ANSYS軟件或其他手段對軌道與滑鞋的應(yīng)力及溫度狀況進(jìn)行模擬分析。

2.1 應(yīng)力狀況分析

2.1.1 滑鞋面與軌道面完全均勻接觸

即不存在左右軌道面的平行度誤差過大問題，此時，將滑鞋面與軌道的一部分根據(jù)實際圖紙尺寸建立CAD實體模型，然后通過相應(yīng)接口將其導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。對于應(yīng)力分析，關(guān)鍵點在于材料單元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分及接觸對的建立，本分析采用Solid187單元，按照最小網(wǎng)格尺寸的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并使用Contact Wizard向?qū)нM(jìn)行接觸對的建立，然后添加相當(dāng)于實際情況的約束，施加經(jīng)過計算的工作載荷，經(jīng)過計算機(jī)分析最終得到應(yīng)力分布結(jié)果，如圖1所示。計算發(fā)現(xiàn)在滑軌表面沒有大于350 MPa的應(yīng)力節(jié)點，表明兩個摩擦接觸面在正常的完全接觸工況下理論上不會發(fā)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象。

圖1 壓力與邊界條件加載及節(jié)點應(yīng)力計算結(jié)果

2.1.2 滑鞋面與軌道面不完全接觸

即存在左右軌道面的平行度誤差過大問題，此時，假設(shè)滑鞋面與左右軌道面之間的平行度誤差只有1/2的實際接觸面積，然后使用相同的方法進(jìn)行分析計算。此外，最后的工作載荷由于實際接觸面積的減小而增大為之前完全接觸狀態(tài)值的2倍，最終得到應(yīng)力分布結(jié)果見圖2。發(fā)現(xiàn)在滑軌表面存在大量大于350 MPa的應(yīng)力節(jié)點，從理論上講，兩個摩擦接觸面在此工況下將會發(fā)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象。

圖2 對應(yīng)節(jié)點的應(yīng)力大小

2.2 溫度狀況

在滑軌與滑鞋接觸滑動過程中，接觸面在較大正壓力的作用下會產(chǎn)生大量的熱能，此外在接觸區(qū)域溫升的過程中，接觸表面的微觀形貌及化學(xué)性質(zhì)也在發(fā)生變化，這些都為因熱應(yīng)力疲勞而導(dǎo)致的摩擦磨損提供了必要條件。對以上兩種情況，利用ANSYS中的熱結(jié)構(gòu)耦合單元Plane13進(jìn)行分析，分別得到相應(yīng)溫度場結(jié)果，對于完全接觸的工況，最高接觸溫度在100℃之內(nèi)，而非完全接觸的工況下，最高瞬間接觸溫度能達(dá)到200℃以上，在這樣的溫度場影響下，接觸材料的磨損必然發(fā)生。

3 滑動副磨損與劃痕產(chǎn)生的機(jī)理與過程

根據(jù)前面的分析結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實際工況，對磨損與劃痕的產(chǎn)生過程以應(yīng)力和溫度綜合影響為基本思路進(jìn)行闡述。

對于第一種情況，分析結(jié)果表明，接觸面的最大應(yīng)力沒有超過350 MPa，所以在這種情況下，產(chǎn)生深溝劃痕或者撕裂坑磨損的話，只能歸咎于滑動過程中產(chǎn)生的高溫使得接觸表面的材料發(fā)生了相變，導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生變化，從而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了撕裂狀磨損的產(chǎn)生。而深溝劃痕則是由于相變過程中產(chǎn)生的顆粒狀二次硬化組織或者外來雜質(zhì)嵌入滑鞋基體，從而在軌道中劃出深溝劃痕。

對于第二種情況，應(yīng)力分析結(jié)果表明，在軌道與滑鞋接觸面上甚至出現(xiàn)600 MPa以上的應(yīng)力，說明此時軌道面部分區(qū)域已經(jīng)到達(dá)并超過屈服極限。而該過程中接觸面產(chǎn)生的高溫較第一種情況更高，所以在二者的綜合作用下，接觸面微觀粘結(jié)現(xiàn)象不斷地累積，最終導(dǎo)致大面積撕裂狀損傷的出現(xiàn)。

在接觸區(qū)域已經(jīng)達(dá)到屈服極限和較高溫度的情況下，從微觀上講，接觸面之間便會由于平面度誤差的存在，而產(chǎn)生材料表層的耦合、粘結(jié)作用，而該運動副在滑動過程中，會存在一定的嵌入現(xiàn)象，這樣就發(fā)生了粘著，而被粘著帶出的部分材料由于高溫和之后的冷卻作用而牢牢附著在另一材料上，進(jìn)而隨著運動的繼續(xù)而產(chǎn)生更大的撕裂坑狀磨損。

此時，如果滑鞋與軌道表面之間存在焊渣等堅硬雜質(zhì)，或者由于摩擦熱而產(chǎn)生的二次硬化組織顆粒的存在，這些硬度較接觸區(qū)域材料較大的 “第三者”便會輕易地在接觸區(qū)域產(chǎn)生 “切削”作用，導(dǎo)致較深的劃痕，這也正是軌道面上較深溝槽產(chǎn)生的原因。

4 針對磨損問題的改進(jìn)方案

4.1 局部結(jié)構(gòu)變更方案

4.1.1 在滑鞋底面與平臺支撐腳之間增加關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

由于預(yù)制和安裝后的左右主滑軌平行度存在較大誤差，從而導(dǎo)致個別支撐腳及滑鞋所受應(yīng)力狀態(tài)差別較大，甚至超過材料本身的屈服強(qiáng)度，最終產(chǎn)生疲勞損傷與粘著損傷混合的嚴(yán)重磨損。消除左右主滑軌之間的平行度誤差或者使各個滑鞋受力均勻化能夠解決該問題。因此在滑鞋底面與支撐腳之間添加了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可以在左右軌道之間存在較大誤差的情況下進(jìn)行自校正，使得滑鞋受力較之前更加均勻化。

圖3 滑鞋改造裝配圖及分解示意

4.1.2 改變運動方向上的直角邊棱結(jié)構(gòu)為圓角結(jié)構(gòu)

由于軌道、滑鞋之間的不平行或者滑軌本身存在的水平度誤差問題，滑鞋底面前進(jìn)方向上的邊棱可能會對軌道產(chǎn)生刮削效應(yīng)，因此將邊棱更改為圓角結(jié)構(gòu)，可以從一定程度上緩解這種結(jié)構(gòu)的副作用，但同時考慮到在工作過程中可能存在雜質(zhì)掉落到滑軌面上的情況，圓角結(jié)構(gòu)的存在會使得雜質(zhì)也容易進(jìn)入到接觸面中，所以又進(jìn)行了下面的改進(jìn)。

4.1.3 在圓角結(jié)構(gòu)之外添加橡膠擋塊裝置

在工作過程中，考慮到既要阻擋一定尺寸的雜質(zhì)，還要保證軌道面上的潤滑物不被橡膠擋塊裝置刮走，所以添加了具有特殊形狀的橡膠擋塊裝置，以達(dá)到阻擋雜質(zhì)而保留潤滑物的雙重目的。

圖4上圖為擋塊裝配到滑鞋上的全局結(jié)構(gòu)圖，下圖為擋塊的結(jié)構(gòu)詳圖?？紤]到擋塊擋雜質(zhì)而不能刮走接觸面上潤滑油脂的問題，將擋塊前端設(shè)計為倒三角形，使得雜質(zhì)被阻擋而油脂可以透過，從而保證正常潤滑和阻擋雜質(zhì)的效果。

4.2 接觸材料特殊表面處理方案

通過硬化、滲流工藝，提高硬度與抗粘著性。首先進(jìn)行滲碳處理，通過表面滲碳技術(shù)，可以提高基體表面硬度，較高的硬度可以提高材料的耐磨損性能，研究表明，材料的粘著磨損率可以用以下公式計算：

式中Wv——粘著磨損的體積磨損量/mm3；

圖4 擋塊與滑鞋裝配結(jié)構(gòu)示意

K——磨損系數(shù)[1]；

FN——法向載荷/N；

S——滑動行程/mm；

H——摩擦副中較軟一方材料的硬度/MPa。

從該公式中可以看出，在材料和工況確定的條件下，粘著磨損量與較軟一方材料的硬度成反比，所以提高接觸雙方表面硬度具有十分重要的意義。

進(jìn)行滲硫處理。相關(guān)文獻(xiàn)表明，滲硫后材料的摩擦系數(shù)和磨損量均降低。在摩擦副雙方均有固體硫氣化滲硫?qū)訒r，用30#機(jī)油潤滑，可使灰鑄鐵、球鐵、45＃鋼的摩擦系數(shù)分別降至青銅的67%、56%和33%。同樣在中等載荷下 （P＝1.5 MPa），滲硫45＃鋼的耐磨性是銅合金的204倍，且45＃鋼經(jīng)過摩擦試驗后，表面粗糙度明顯改善[2-4]。調(diào)質(zhì)45＃鋼滲硫后滾動摩擦系數(shù)降低了14%～42%[5]。45#鋼滲硫件的抗咬合能力比未滲硫零件提高27倍；滲硫灰鐵與滲硫45＃鋼淬火件組成摩擦副的磨損率為鋁青銅與45#鋼淬火件組成的摩擦副的1/15[6]，并且能夠在較高負(fù)載的情況下保持有效性和穩(wěn)定性。

通過以上兩步的處理，材料較之前具有更高的硬度、更好的耐磨性和抗粘著磨損性能，可最大程度地減輕軌道磨損。

4.3 更換導(dǎo)軌材料

為了提高軌道材料的強(qiáng)度及耐磨性能，并且避免同種材料接觸增大粘著磨損發(fā)生幾率的情況，可以考慮更換導(dǎo)軌或者滑鞋的材料，加之平臺運行后，滑鞋材料的更換相對軌道比較困難，且之前受損的是軌道面而非滑鞋面，所以考慮更換導(dǎo)軌的材料，或者在原來基體材料的基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一定厚度的新導(dǎo)軌材料，這種新材料的強(qiáng)度應(yīng)高于之前材料的強(qiáng)度，并且耐磨、耐高溫。經(jīng)過文獻(xiàn)查閱與資料匯總，推薦使用耐磨鎢鋼，牌號為M20，其HRA硬度能達(dá)到89.5，其抗彎強(qiáng)度能達(dá)到1 500 MPa以上，這樣既可以保證軌道的韌性，又能保證軌道表面的高硬度和耐磨性能，得到良好的抗磨損性能。

4.4 更換潤滑劑方案

在滑鞋、導(dǎo)軌活動過程中，由于壓力較大，使得接觸面之間存留的潤滑脂幾乎全被擠走，潤滑脂幾乎沒有對實際接觸面產(chǎn)生有效的潤滑效果，同時考慮到海上設(shè)備對環(huán)保要求較嚴(yán)格，不能使用可能會污染海洋環(huán)境的大量噴油來保證接觸面中的潤滑油量，所以考慮使用固體潤滑劑，如MoS2、氮化硼、石墨等，然后采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诨壣闲纬蓾櫥ぃ蛘咴诨闹胁恐谱鞒鲆恍┬〉穆┒方Y(jié)構(gòu)并通過其對滑動中的滑軌面進(jìn)行固體粉末潤滑，從而降低摩擦系數(shù)，最大程度減小磨損情況的發(fā)生。

[1]王曉偉，宋丁昆.基于粘著磨損機(jī)理的內(nèi)燃機(jī)汽缸粘著磨損分析[J].濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，21（3）：7-8.

[2]張弋飛.金屬零件硫蒸氣輝光放電滲硫的研究[J].金屬熱處理,1989，（4）∶51-58.

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[4]劉健海,王慧.45#鋼表面滲硫處理后耐磨性能的研究[J].固體潤滑,1988，（3）∶177-180.

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Research on Mechanism and Countermeasures of Skimming Wear of Drilling Platform

CHEN Wei-wei（Tianjin Heli Oil&Gas Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300451， China），WEI Guoqiang， ZHOU Gui-ju， et al.

The skimming wear of sliding module of heavy drilling platform may be serious during its operation,which may produce safety problems if no proper countermeasures taken.This paper comprehensively investigates the skimming wear problem.The analytical model is established by means of the software ANSYS to describe loading stress and deformation for different work conditions with consideration of the influences of impurities and temperature The mechanism of the skimming wear is discussed and several countermeasures are proposed in aspects of structure,surface treatment and lubrication.

drilling platform;track;skimming wear;improvement scheme

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.002

陳衛(wèi)衛(wèi) （1984-），男，山東禹城人，助理工程師，2007年畢業(yè)于青島濱海學(xué)院，現(xiàn)從事海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

2012-01-06；

2012-06-04