低摩擦速度下CT80油管摩擦磨損性能*

(1.西安石油大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院 陜西西安 710065；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 陜西寶雞 721008)

在油井采油過程中，在軸向的壓力下或者受到井眼擠壓施加載荷的影響，油管和內(nèi)置電纜將產(chǎn)生隨機(jī)接觸和摩擦。當(dāng)采油過程造成機(jī)械振動(dòng)時(shí)，連續(xù)油管便與內(nèi)置電纜產(chǎn)生往復(fù)摩擦磨損，導(dǎo)致油管局部壁厚減薄，從而影響油管安全使用。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)連續(xù)油管與內(nèi)置電纜摩擦磨損的研究非常少，而為保證油管的安全使用，研究摩擦速度對(duì)連續(xù)油管的摩擦磨損規(guī)律以及對(duì)連續(xù)油管壽命的影響是十分必要的。

通常情況下，摩擦和磨損過程受到載荷、速度、溫度場(chǎng)以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素的影響[1-4]。其中，摩擦速度的大小對(duì)磨損起到關(guān)鍵性的作用。目前，相關(guān)研究報(bào)道主要集中在較高摩擦速度下[5-6]。摩擦副在干摩擦狀態(tài)下以較高的速度對(duì)磨時(shí)，隨著速度增加合金的磨損率逐漸降低。但是當(dāng)速度增加至臨界速度時(shí)，高速摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致摩擦副表面溫度上升，摩擦層破裂會(huì)激活額外的滑動(dòng)面，促進(jìn)更大的延展性或者發(fā)生新的磨損機(jī)制，磨損率開始上升。研究表明，臨界速度取決于施加載荷、熱擴(kuò)散系數(shù)及材料表面硬度[7-8]。對(duì)于低速摩擦而言，劉玉文等[8]的研究結(jié)果表明：銅合金與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)，隨著摩擦速度的增加磨損率先增大后減小，臨界摩擦速度為0.112 m/s。

摩擦是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，而油管與電纜接觸時(shí)發(fā)生的是較低速下2種鋼材之間的磨損，且由于是承受固定接觸力，電纜與油管的形狀決定了隨著磨損加劇二者之間的接觸應(yīng)力逐漸降低，因而其磨損機(jī)制與文獻(xiàn)[8]不完全相同，所以摩擦過程中變應(yīng)力、低摩擦速度作用下油管的摩擦磨損及剩余強(qiáng)度變化規(guī)律需要進(jìn)一步研究。本文作者研究了采油過程中連續(xù)油管與電纜發(fā)生低速摩擦?xí)r油管的摩擦磨損性能、磨損機(jī)制，以及連續(xù)油管剩余強(qiáng)度的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

CT80連續(xù)油管的化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為70 mm ×70 mm×4.6 mm，試樣中心開有直徑7 mm的通孔用于安裝試樣。電纜長(zhǎng)度約為80 mm。用HV顯微硬度計(jì)測(cè)得油管硬度(測(cè)試壓力3 N)為HV238，電纜鋼絲硬度為HV540。試驗(yàn)彎曲電纜以保證僅電纜側(cè)面與油管壁接觸，電纜采用鋼絲絞制而成，每根鋼絲的直徑約1.2 mm，如圖1所示。試驗(yàn)前依次采用100、400、800、1 000目砂紙打磨油管試樣表面，并在丙酮溶液中超聲波清洗10 min。

表1油管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 1 Chemical composition of the tubing %

元素CSiMnPSCrMoNiFe含量0.1610.3960.786<0.0050.0010.6560.1230.12997.42

圖1 試驗(yàn)過程中電纜與油管安裝及電纜特征示意圖Fig 1 Schematic of cable and tubing installation and cable characteristics

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在MMX-3G多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，油管試樣在上并與試驗(yàn)機(jī)主軸相連，電纜被夾持固定浸泡在充滿原油的聚四氟乙烯油浴容器內(nèi)。原油(密度為961.4 kg/m3)潤(rùn)滑下的摩擦磨損條件為：油管/電纜摩擦副的摩擦速度模擬原油的流速分別選取0.01、0.04、0.07、0.10、0.13 m/s共計(jì) 5種試驗(yàn)速度；壓力為100 N；砂礫直徑約為300 μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%；磨損時(shí)間為8 h。試樣磨損前后的質(zhì)量采用分析天平(GL224i-1SCN，精度0.1 mg)稱量3次，取平均值。

基于試樣失重通過公式(1)計(jì)算試樣壁厚減薄量：

(1)

式中:ΔT為油管壁厚減薄量(μm)；Δw為磨損質(zhì)量損失(mg)；ρ為油管密度 (g/cm3)；A為油管磨損面積(cm2)。

采用公式(2)計(jì)算試樣磨損率：

(2)

式中:Iw為油管磨損率(mg/m)；d為油管摩擦痕跡的直徑(m)；n為8 h內(nèi)試樣總轉(zhuǎn)數(shù)(r)。

采用金相顯微鏡(Neophot21)和掃描電子顯微鏡(JSM6390A)表征油管磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損性能

圖2所示為摩擦速度對(duì)油管磨損量及壁厚減薄量的影響。結(jié)果表明：隨著摩擦速度增加油管磨損量及壁厚減薄量的變化趨勢(shì)基本一致；當(dāng)摩擦速度從0.01 m/s增大至0.07 m/s過程中，油管磨損質(zhì)量損失及壁厚減薄快速升高；當(dāng)摩擦速度增加至0.07 m/s以上時(shí)油管磨損質(zhì)量損失及壁厚減薄上升緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)?，隨著摩擦速度增大油管表面凹槽數(shù)量增多、深度逐漸加深，這為電纜與油管摩擦表面提供了儲(chǔ)油空間，增大了潤(rùn)滑效果；同時(shí)，隨著磨損質(zhì)量損失增加電纜與油管接觸面積增大，油管與電纜的接觸應(yīng)力變小。因此，隨著磨損程度增大，油管與電纜的接觸應(yīng)力是一個(gè)逐漸降低的過程。上述因素的聯(lián)合作用導(dǎo)致油管的磨損質(zhì)量損失及壁厚減薄量在較大速度時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖2 不同摩擦速度下油管磨損量與壁厚減薄量變化Fig 2 The wear mass loss and thickness reduction as the function of friction velocity

圖3所示為不同摩擦速度下油管與電纜的摩擦因數(shù)曲線。結(jié)果表明：隨著摩擦速度增大，電纜/油管之間的摩擦因數(shù)升高；當(dāng)摩擦速度增加至0.07 m/s時(shí)摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)。與油管磨損量的變化趨勢(shì)相同，隨著磨損加劇，盡管摩擦因數(shù)有上升的趨勢(shì)，但是油管表面磨痕深度增加為摩擦副提供了額外的潤(rùn)滑油槽，且電纜與油管之間的接觸表面增大同樣導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。因此，摩擦因數(shù)在摩擦速度大于0.07 m/s時(shí)趨于平穩(wěn)。

圖3 不同摩擦速度下油管/電纜的摩擦因數(shù)Fig 3 Friction velocity dependence of friction coefficient between tubing and cable

圖4所示為磨損率隨著摩擦速度的變化規(guī)律。當(dāng)摩擦速度從0.01 m/s增加至0.07 m/s時(shí)磨損率增大；在摩擦速度為0.07 m/s時(shí)油管磨損率最大，約為35×10-3mg/m；隨后摩擦速度再增加磨損率卻呈減小的趨勢(shì)。基于油管壁厚減薄及摩擦因數(shù)分析可知磨損率的變化規(guī)律屬于可預(yù)期結(jié)果。導(dǎo)致磨損率下降的主要原因可能是磨損機(jī)制的改變[5]。

圖4 摩擦速度對(duì)油管磨損率的影響Fig 4 Wear rate of tubing as a function of friction velocity

2.2 磨損形貌及機(jī)制分析

圖5所示為油管試樣摩擦磨損后的表面形貌。摩擦速度為0.01 m/s時(shí)，試樣表面出現(xiàn)劃痕，磨痕深度較小、數(shù)量較少，仍然能清晰辨別砂紙打磨痕跡，如圖5(a)所示。隨著摩擦速度的增加，試樣的磨痕深度逐漸增大，試樣打磨痕跡逐漸消失。當(dāng)摩擦速度增加到0.07 m/s以上時(shí)，電纜與油管發(fā)生摩擦的區(qū)域打磨痕跡完全消失，磨痕數(shù)量較多、深度較大，如圖5(d)、(e)所示。

為更清晰地表征油管試樣表面的磨損形貌，采用掃描電鏡進(jìn)一步研究了油管表面形貌，如圖6所示。與圖5結(jié)果相同，油管試樣表面出現(xiàn)不同程度的犁溝。同時(shí)油管試樣表面出現(xiàn)腐蝕坑，且隨著速度升高腐蝕坑尺寸增加、數(shù)量增多，如圖6中箭頭所示。這表明磨損過程中油管發(fā)生了腐蝕，且摩擦速度越大腐蝕越嚴(yán)重。油管磨損過程中其表面不斷出現(xiàn)新鮮表面，與原始表面相比，新鮮表面由于位錯(cuò)、缺陷等因素增多導(dǎo)致表面能升高，表面處于非平衡狀態(tài)，極易與原油中的水分等反應(yīng)形成腐蝕物。同時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)物疏松，其與致密氧化膜降低摩擦因數(shù)的作用[9]不同，疏松的腐蝕產(chǎn)物極易脫落導(dǎo)致油管新鮮表面不斷曝露，這導(dǎo)致油管表面在磨損過程中一直處于高能狀態(tài)，并且隨著摩擦速度增大油管曝露在原油中的新鮮表面越多，油管腐蝕越嚴(yán)重。因此，油管表面發(fā)生了腐蝕磨損，且摩擦速度越高腐蝕磨損越嚴(yán)重。

圖5 不同摩擦速度下油管表面摩擦磨損形貌(100 N)

Fig 5 The surface morphologies of tubing after wear tests at different friction velocities(100 N)

圖6 不同摩擦速度下油管表面腐蝕形貌(100 N)Fig 6 Corrosion morphologies of tubing after wear tests with different friction velocities(100 N)

圖7所示為油管試樣截面形貌圖。由表面形貌圖圖6和截面形貌圖圖7可看出：所有試樣均出現(xiàn)一定數(shù)量的磨損溝槽，且隨著相對(duì)摩擦速度升高溝槽深度逐漸增大、數(shù)量也隨之增加，因此隨著相對(duì)摩擦速度增加油管磨損程度增大。其主要原因?yàn)椋耗Σ了俣仍黾訉?dǎo)致油管與電纜的磨損加劇，與油管接觸的電纜鋼絲數(shù)量增多。由油管截面圖圖7(a)—(c)可看出：溝槽邊緣的金屬發(fā)生凸起，在溝槽兩側(cè)邊形成脊緣，這表明磨損過程中溝槽發(fā)生了明顯的塑性變形?；诒砻婕皵嗝婺p形貌可知：油管典型磨損形貌為犁溝+塑性變形+腐蝕產(chǎn)物+點(diǎn)蝕坑。因此，文中試驗(yàn)條件下油管表面的材料損失主要由磨粒磨損與腐蝕磨損造成。

圖7 摩擦速度對(duì)油管斷面形貌的影響Fig 7 The influence of friction velocity on section morphology of tubing

圖8所示為磨損斷面的金相組織。結(jié)果表明，基體與犁溝兩側(cè)晶粒形態(tài)完全不同，犁溝兩側(cè)及犁溝底部的晶粒均被拉長(zhǎng)，如圖8中白色標(biāo)記圈內(nèi)所示。因此，油管發(fā)生的主要為高應(yīng)力作用下的冷塑性變形，其主要原因?yàn)樵蜐?rùn)滑及冷卻作用，油管磨損面發(fā)生變形時(shí)的溫度較低?；谇拔姆治隹芍弘S著摩擦速度增加油管腐蝕趨于嚴(yán)重，但是磨損區(qū)域的冷變形強(qiáng)化增加。因此，隨著摩擦速度的增大，腐蝕磨損造成的材料損失越來越嚴(yán)重，相反磨粒磨損造成的損失越來越低。

圖8 不同摩擦速度下油管磨損斷面的金相組織形貌Fig 8 The cross-sectional microstructure and morphology of tubing after wear test

2.3 剩余強(qiáng)度分析

通常情況下，磨損后油管剩余強(qiáng)度的計(jì)算方法是基于月牙形模型的最小壁厚法[10-12]，但由于電纜鋼絲絞線特征，磨損形貌近似為“正弦曲線”。因此，文中油管剩余強(qiáng)度基于API TR 5C3-2008公式[13]及最大磨損深度計(jì)算，油管屈服強(qiáng)度由當(dāng)量屈服強(qiáng)度代替。

圖9所示為摩擦速度對(duì)油管剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度及抗擠毀強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖9 摩擦速度與油管剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度及抗擠毀強(qiáng)度的關(guān)系Fig 9 Variation of collapsing strength and residual internal pressure strength of tubing with velocities

結(jié)果表明：隨著摩擦速度增加油管剩余抗內(nèi)壓及抗擠毀強(qiáng)度逐漸降低，且二者降低規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先緩慢降低后急劇降低，最后強(qiáng)度降低趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。這意味著摩擦速度升高到一定值后剩余強(qiáng)度基本與摩擦速度無關(guān)。另外，油管抗擠毀及抗內(nèi)壓強(qiáng)度的降低量有限，僅為油管原始抗擠毀及抗內(nèi)壓強(qiáng)度的0.7%和1.2%。因此，電纜鋼絲與油管經(jīng)歷8 h對(duì)磨后，油管的剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度變化程度較小，且基于強(qiáng)度變化與摩擦速度的關(guān)系可知，在采油過程中電纜鋼絲與油管內(nèi)壁磨損造成的油管損傷基本可以忽略。

3 結(jié)論

(1)文中試驗(yàn)情況下，CT80油管與電纜配副時(shí)，隨著摩擦速度增加，油管磨損量及壁厚減薄量先增大后趨于平穩(wěn)。

(2)采油過程中，磨粒磨損與腐蝕磨損2種機(jī)制共同作用于CT80油管，但是隨著摩擦速度升高，由于接觸應(yīng)力的降低及冷變形強(qiáng)化，磨粒磨損造成油管損失降低，腐蝕磨損造成的損失升高。

(3)CT80油管與電纜在較低速范圍內(nèi)(約0.13 m/s)對(duì)摩時(shí)，摩擦因數(shù)隨摩擦速度先增大后趨于平穩(wěn)；磨損率隨著摩擦速度的增加先增大后減小，在摩擦速度為0.07 m/s時(shí)磨損率最大，約為35×10-3mg/m。

(4)較低速(約0.13 m/s)下，隨著摩擦速度增加CT80油管的剩余抗擠毀強(qiáng)度以及剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，最大降低量約為油管原始抗擠毀及抗內(nèi)壓強(qiáng)度的0.7%和1.2%。因此，低速情況下，電纜對(duì)油管剩余抗擠毀強(qiáng)度及剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度的影響基本可以忽略。