張 敏 靳曉偉 劉 君 楊海濱 梁玉林

(1.西部鉆探工程有限公司玉門鉆井分公司 2. 中國石油西部鉆探準東鉆井公司3. 中國石油長慶油田第二采油廠 4. 川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

0 引 言

隨著能源需求的增加，油氣鉆井作業(yè)面臨著更加惡劣的環(huán)境。為克服非正常地層井壁遇水失穩(wěn)、保證井控安全、提高機械鉆速以及實現(xiàn)完全欠平衡鉆進，空氣鉆井技術應運而生。但應用空氣鉆井技術時，由于缺乏鉆井液潤滑，所以鉆桿與套管之間面臨著更為嚴峻的干摩擦問題。

為滿足高溫高壓井、酸性油氣井以及超深井對套管材料性能的需要，7075鋁合金被用作套管材料[1]。在油氣鉆井高強度工作條件下，要求套管材料除了具有良好的力學性能以外，還應該具備優(yōu)異的摩擦學性能。近年來，不少學者針對不同條件下7075鋁合金的摩擦磨損行為進行了研究。LU J.等[2]通過球盤摩擦試驗研究了溫度對7075鋁合金摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)150 ℃以下犁耕是主要磨損機制，而300 ℃以上鋁合金表面主要磨損機制為黏著剝落。SHEN M.X.等[3]分別在油水環(huán)境中針對7075鋁合金開展了一系列微動磨損試驗，結果表明，在水環(huán)境中，7075鋁合金主要磨損機制為磨粒磨損、脫層和氧化磨損，而在油環(huán)境下以磨粒磨損為主。B.VENKATARAMAN等[4]利用銷盤摩擦試驗研究了7075鋁合金的機械混合層與摩擦學性能之間的關系，結果表明，盡管機械混合層的存在會增大摩擦因數(shù)，但7075鋁合金磨損率大大降低。A.BARADESWARAN等[5]通過銷盤磨損試驗研究了干滑動條件下石墨顆粒對7075鋁合金的摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)石墨微粒的加入起到了固體潤滑劑的作用，7075鋁合金的摩擦學行為有了顯著的改善。沈明學等[6]通過扭轉(zhuǎn)復合微動試驗，研究了接觸載荷對7075鋁合金扭轉(zhuǎn)復合微動磨損行為的影響，結果表明:接觸載荷能夠明顯改變微動運行區(qū)域,隨著接觸載荷的增加,微動推遲進入混合區(qū)和滑移區(qū),且混合區(qū)逐漸擴大。黃偉九等[7]采用銷盤摩擦試驗機研究了時效處理對7075鋁合金摩擦學性能的影響，結果表明：時效處理后樣品在輕微磨損時以磨粒磨損和氧化磨損為主，嚴重磨損時以黏著磨損和剝層磨損為主。綜上所述，7075鋁合金套管的摩擦學行為還沒有引起足夠重視，尤其是在干摩擦條件下。

鉆井作業(yè)中，因鉆桿與套管之間的接觸壓力難以確定，所以鉆桿轉(zhuǎn)速成為影響套管磨損的唯一可控因素。而關于滑動速度對鋁合金石油套管干摩擦學性能影響的相關研究還未見報道。因此，本文以7075鋁合金(T6)為研究對象，采用銷盤摩擦磨損試驗方法，系統(tǒng)地研究滑動速度對7075鋁合金摩擦磨損性能的影響，以期為鋁合金套管的防磨損方法研究提供一定的指導。

1 試驗方法

以往的研究表明，實際鉆井過程中，鉆桿和套管的局部接觸可以近似地看成面接觸[2]。因此，采用UMT型摩擦試驗機開展盤銷式干摩擦試驗(見圖1)。

圖1 磨盤摩擦磨損試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test of grinding disc

磨盤采用7075鋁合金，銷釘采用40CrNiMo石油鉆桿材料。磨盤直徑70 mm，硬度150 HB，表面粗糙度0.68 μm；銷釘直徑6.3 mm，硬度260 HB，表面粗糙度0.62 μm。試驗環(huán)境空氣相對濕度45%，試驗介質(zhì)為空氣，摩擦半徑25 mm。試驗載荷50 N，初始溫度20 ℃。摩擦線速度分別為50、100、150、350和600 mm/s，摩擦路程512.6 m。

試驗前后，將試樣在超聲波清洗儀中用石油醚清洗5 min并干燥。不同試驗條件下每組試驗重復3次，用三維光學顯微鏡測量磨盤磨損體積并取其平均值，采用以下公式計算磨盤磨損率[8]：

(1)

式中：WR為磨盤磨損率，mm3/(N·m); ΔV為磨損體積，mm3；L為摩擦路程，m；F為載荷，N。

試驗結束后，采用三維光學顯微鏡測量磨盤磨損面三維形貌、磨痕深度和表面粗糙度；采用JSM-6610A型掃描電子顯微鏡測量磨損面表面形貌、截面形貌并分析磨損面元素組成。

2 試驗結果

2.1 磨損率與摩擦因數(shù)

圖2為不同滑動速度下磨盤磨損深度和磨損率的變化曲線。由圖2a可知：隨著滑動速度v的增加，磨盤磨損深度總體呈增加趨勢；在低滑動速度(50～150 mm/s)下，磨盤磨損深度低于5 μm，磨損深度隨速度的增加變化不明顯；隨著滑動速度繼續(xù)增加，磨盤磨損深度明顯增加，在滑動速度為600 mm/s時，磨損深度達到40 μm左右。由圖2b可知，磨損率隨滑動速度的增加而增加，在150 mm/s以后，磨損率上升趨勢明顯。

圖2 不同滑動速度下磨盤磨損深度和磨損率曲線Fig.2 The wear depth and wear rate of the grinding disc under different sliding speeds

圖3為不同滑動速度下摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化曲線。從圖3可以看出：在低滑動速度(50 mm/s)下，摩擦因數(shù)在0.8左右波動；隨著滑動速度增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢。不同滑動速度下平均摩擦因數(shù)和方差見表1。從表1可以看出，盡管平均摩擦因數(shù)隨滑動速度的增加而減小，但摩擦因數(shù)方差隨滑動速度的增加而增加，這表現(xiàn)為摩擦因數(shù)曲線波動增大(見圖3)。

表1 不同滑動速度下平均摩擦因數(shù)和方差Table 1 The average friction coefficient and variance table at different sliding speeds

磨損率和摩擦因數(shù)等摩擦學行為的變化與磨損表面特點以及磨損機制緊密相關，為分析圖2和圖3中磨損率和摩擦因數(shù)的變化規(guī)律及其原因，筆者針對不同滑動速度下磨盤表面形貌特點進行了研究。

圖3 不同滑動速度下摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化曲線Fig.3 Variation of friction factor with sliding distance under different sliding speeds

2.2 表面形貌

圖4為不同滑動速度下SEM形貌及其區(qū)域放大圖。由圖4可知，不同滑動速度下，磨盤表面呈現(xiàn)出不同的形貌。

圖4a中，在低滑動速度下，磨盤表面比較粗糙，密集的磨屑分布在磨損表面，顆粒狀、團狀和層狀磨屑在載荷的作用下堆疊在磨盤表面。這是因為在低滑動速度下，干摩擦產(chǎn)生的磨屑無法被及時帶出摩擦接觸面，在高載荷下磨屑一旦產(chǎn)生就在摩擦副之間不斷被擠壓、融合、粘接在磨盤表面。當滑動速度增加到100 mm/s時，磨盤表面比滑動速度為50 mm/s更加平整，但仍然有磨屑堆積在磨盤表面，堆積的磨屑體積比圖4a中更小。這是由于隨著滑動速度的增加，產(chǎn)生的大體積磨屑能夠在離心力的作用下被帶出接觸面[9]，剩余的磨屑被擠壓進磨盤表面，仍然可以起到保護作用。在滑動速度為100 mm/s下銷釘磨盤表面真實接觸面積更大。因此，在此滑動速度下，磨盤磨損率無明顯變化，但摩擦因數(shù)減小至0.73左右。

圖4 不同滑動速度下SEM形貌及其區(qū)域放大圖Fig.4 SEM morphology and area magnified view at different sliding speeds

當滑動速度增加到150 mm/s時，磨盤表面磨損形貌發(fā)生了較大變化。磨盤表面可以大致分為光滑區(qū)和分層區(qū)域，并且光滑區(qū)域占據(jù)主導，這是一種典型的氧化磨損行為[10]。在局部放大區(qū)域圖中，僅有少量磨屑堆積在分層區(qū)域邊緣。此外，在光滑區(qū)域放大圖中可以看到波紋狀塑性流動痕跡。當滑動速度為350 mm/s時，表面分層區(qū)域面積增大且變得粗糙多孔隙，光滑區(qū)域也出現(xiàn)了材料破碎以及進一步分層的現(xiàn)象。隨著滑動速度進一步增加到600 mm/s，分層區(qū)域成為表面主導形貌。分層區(qū)域表面同樣粗糙多孔，且出現(xiàn)了大裂紋。在光滑區(qū)域，可以觀察到表面存在材料黏著現(xiàn)象。

為進一步獲取磨損表面元素組成信息，對低、中、高滑動速度下磨損表面具有代表性的區(qū)域進行EDS分析。

2.3 EDS和XPS分析

圖5為不同滑動速度下磨損表面EDS分析結果。

圖5 不同滑動速度下表面EDS分析結果Fig.5 Surface EDS analysis results at different sliding speeds

由圖5可知，磨盤表面元素主要是氧和鋁，不同滑動速度下磨盤表面都存在氧化現(xiàn)象。這是因為在高載荷下，即使滑動速度不高，摩擦接觸面也能達到較高的溫度，促使合金材料發(fā)生氧化。在50 mm/s滑動速度下，點1層狀磨屑處含氧質(zhì)量分數(shù)為11.81%，而點2顆粒狀磨屑處含氧質(zhì)量分數(shù)為22.43%，遠高于點1。合金磨粒產(chǎn)生后，在接觸面被擠壓、運移、熔結，最終堆積在磨盤表面。在此過程中，顆粒狀磨粒與空氣接觸更充分，因此點2含氧質(zhì)量分數(shù)更高。在圖4c中，分層區(qū)點3的含氧質(zhì)量分數(shù)顯著低于光滑區(qū)點4。這可能是材料剝落后新鮮表皮氧化不充分所致。在600 mm/s滑動速度下，黏著區(qū)域含氧質(zhì)量分數(shù)達到48.52%，盡管分層區(qū)含氧質(zhì)量分數(shù)仍然低于光滑區(qū)，但含氧質(zhì)量分數(shù)也達到30.93%，高于點3。值得注意的是，隨著滑動速度的提高，不論是分層區(qū)域還是光滑區(qū)，含氧質(zhì)量分數(shù)都在上升。圖6為不同滑動速度下磨損表面XPS分析結果。從圖6可以看出，隨著滑動速度的提高，鋁的氧化物峰面積相應增大，即更多的鋁元素被氧化，這與EDS分析結果一致。

圖6 不同滑動速度下磨損表面XPS分析結果(分析區(qū)域0.4 mm2)Fig.6 XPS analysis results of worn surface under different sliding speeds (analysis area 0.4 mm2)

為進一步研究磨盤磨損面形貌特征，對不同速度下磨盤磨損中心1 mm區(qū)域三維形貌和局部截面形貌進行分析。

2.4 磨痕中心截面形貌

圖7為不同滑動速度下磨損截面形貌及三維形貌。從圖7可以看出，低滑動速度下，磨盤表面較為平整，而隨著速度的增大，磨盤表面分層區(qū)域面積增加，這與SEM 表面分析結果一致。隨著滑動速度增加，磨盤表面粗糙度逐漸降低，這也是摩擦因數(shù)隨滑動速度增加而降低的原因之一。在掃描電鏡二次模式下，磨盤截面形貌圖中白色區(qū)域為氧化物，黑色區(qū)域為鋁合金基體。在低滑動速度下，部分氧化物、基體和磨屑在載荷作用下擠壓糅合在一起，覆蓋在磨盤表面；在中滑動速度下，表面材料被大部分氧化，外表層覆蓋的黑色淺層是由磨損面剩余的小體積磨屑被壓實而成，在高載荷下氧化物內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋；在高滑動速度下，表面磨屑形成后，大顆粒和大體積磨屑被迅速甩出接觸面，小體積磨屑則被迅速軟化壓實在上表層，形成一層厚厚的膜。在摩擦過程中，這層膜不斷地在接觸面脫落、壓實。由于合金材料與氧化物層在材料性質(zhì)上具有較大差別，在高壓載荷和循環(huán)應力下，二者結合不緊密，所以在截面形貌中可以看到二者接觸點存在大裂縫。

圖7 不同滑動速度下磨損截面形貌及三維形貌Fig.7 Wear section morphology and three-dimensional morphology at different sliding speeds

2.5 討論

以上試驗結果表明，滑動速度對鋁合金套管材料的摩擦學行為有重要影響。大量的研究表明，滑動速度的提高會造成局部接觸面溫度的升高，進而影響接觸面摩擦磨損行為。由摩擦造成粗糙峰的局部溫升可由下式計算[11]：

(2)

式中：μ為摩擦因數(shù),取表2中平均摩擦因數(shù)；p為所加載荷，N;a為對磨面粗糙峰實際接觸區(qū)的半徑，μm；k1為鋁合金7075導熱系數(shù)，k1=134 W/(m·K)；k2為40CrNiMo導熱系數(shù),k2=44 W/(m·K)。

圖8為接觸面溫度隨滑動速度的變化曲線。從圖8可以看出，隨著滑動速度從50 mm/s上升至600 mm/s，接觸面局部溫度逐漸升高，盡管溫升速率呈現(xiàn)下降趨勢，但由滑動速度上升引起的接觸面溫升仍然對磨損機制產(chǎn)生了重要影響。

圖8 接觸面溫度隨滑動速度的變化曲線Fig.8 The temperature of the contact surface varies with the sliding speed

在低滑動速度(50 mm/s)下，摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑不能被及時帶出接觸面，在反復的擠壓、糅合后壓實在銷釘和磨盤表面(見圖4a)。分散的部分氧化物(主要是Al2O3)嵌入到磨盤基體和表面磨屑中(見圖7a)。由于其具有較高的硬度[12]，所以能夠提高磨盤的耐磨性，避免基體受到嚴重的磨粒磨損，有效地降低了磨盤的磨損率，高硬度的氧化鋁顆粒也是造成剝落坑的原因。這種輕微氧化降低基體磨損率的行為被稱作輕微氧化磨損，其特點是磨損率低、摩擦因數(shù)波動小并且少量的摩擦氧化物就能夠避免基體嚴重磨損[10]。

隨著滑動速度上升至150 mm/s，接觸面之間的磨屑由于受到較大的離心力，幾乎全部被帶離接觸面(見圖4c)。隨著接觸面溫度升到280 K左右，磨盤表面含氧量上升(見圖5)并出現(xiàn)了典型的氧化磨損形貌特征：光滑區(qū)和分層區(qū)共存(見圖4c)。大面積光滑區(qū)域的出現(xiàn)減小了摩擦因數(shù)，而分層區(qū)域的出現(xiàn)卻提高了磨盤磨損率。這是因為隨著溫度的升高，磨盤表面出現(xiàn)了更多氧化鋁，在較高載荷作用下，由于氧化鋁的高脆性，一旦循環(huán)應力大于氧化物臨界應力，氧化物就會發(fā)生斷裂(見圖7b)，并由此引發(fā)分層。在此滑動速度下磨盤的磨損機制可以總結為氧化磨損，其特點是:對比輕微氧化磨損，摩擦氧化物更多、磨損率更高、摩擦因數(shù)波動更大[10]。

在高滑動速度600 mm/s下，分層區(qū)域面積顯著增大(見圖4e)，磨損率顯著增加。這是因為在高溫下磨盤表面氧化物含量顯著增加，但更多的氧化物并不意味著更好的保護作用[13]。氧化鋁與鋁合金基體由于擁有不同的導熱系數(shù)與強度，在摩擦過程中二者接觸區(qū)域更容易出現(xiàn)斷裂，這是圖4e和圖7c中裂紋出現(xiàn)的原因。此外，由于熱軟化效應，磨盤基體硬度的降低將導致其失去支持氧化物的固有強度，進一步加劇氧化物的脫落，增大磨盤磨損率[14]。在此速度下的磨盤磨損率遠高于50～150 mm/s 速度下磨盤的磨損率，這由氧化物的快速形成和去除造成。在此速度下，盡管含氧量進一步上升，但由于磨損表面的分層和黏著特性，磨損機制有別于150 mm/s速度下的氧化磨損，可以總結為黏著-分層磨損。

摩擦因數(shù)的變化也與滑動速度緊密相關。在低滑動速度(50～150 mm/s)下,隨著滑動速度的增加，磨盤磨損面和對磨面磨屑減少，增大了摩擦副實際接觸面積，在相同的載荷下，摩擦因數(shù)減?。辉谥械然瑒铀俣?150 mm/s)下，大面積光滑區(qū)的出現(xiàn)導致了摩擦因數(shù)繼續(xù)減?。辉诟呋瑒铀俣?350～600 mm/s)下，由于熱軟化效應的加劇，表面出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，這是摩擦因數(shù)在高滑動速度下出現(xiàn)劇烈波動的原因[15]。此外，分層材料脫落后，在高溫高壓的作用下被碾壓糅合并在對磨面形成轉(zhuǎn)移膜，也能夠有效地減小摩擦因數(shù)[14]。隨著滑動速度的提高，接觸面溫升顯著提高，磨盤表面大粗糙凸起由于軟化更容易斷裂，造成表面粗糙度的降低(見圖7)，這也是摩擦因數(shù)隨著滑動速度增加而減小的原因之一。

3 結 論

(1)滑動速度對7075鋁合金干摩擦性能有重要影響。在滑動速度50～600 mm/s范圍內(nèi)，隨著滑動速度的增加，摩擦因數(shù)不斷減小，摩擦因數(shù)波動幅度不斷增大；磨損率隨滑動速度的增加先緩慢增加再顯著上升。

(2)在低滑動速度(50～100 mm/s)下，7075鋁合金主要磨損機制為輕微氧化磨損；在中等滑動速度(150 mm/s)下，主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p；當滑動速度在350～600 mm/s之間時，主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶ?分層磨損。

(3)滑動速度的提高會引起接觸面溫升，造成鋁合金表面含氧量的升高和熱軟化效應的加劇，進而改變磨損機制。在空氣鉆井過程中，為避免鋁合金套管嚴重磨損，應將鉆桿轉(zhuǎn)動線速度控制在低于150 mm/s。