119 / 2021-05-27 18:23:58

油气装备表界面仿生织构的抗磨减阻性能研究及应用探索

为解决高温冲击动载、复杂洋流及固-液两相流冲蚀等恶劣工况条件下典型油气装备复合钻头滑动轴承的粘着磨损失效、压裂泵柱塞-盘根动密封系统的磨损泄漏失效、油气钻采管柱绕流作用下涡激振动引起的疲劳断裂失效和液-固两相流冲蚀作用下的阀门刺漏失效等问题，创新性提出了利用仿生表面织构提升油气装备表界面抗磨、减摩、减阻及抗冲蚀性能的新方法。首先建立了油气装备表界面金属配对副和金属与弹性体配对副的织构润滑理论模型、油气钻采织构立管绕流减阻大涡数值模拟模型，开展了织构参数调控油气装备表界面润滑减阻性能的理论研究。在初步验证优选织构参数组合可显著提升配对副润滑减磨减阻性能的基础上，结合仿生织构的超快激光烧蚀技术，开展了织构参数布置于油气装备表界面的激光加工工艺及表征方法研究。基于单元、缩比和全尺寸台架实验，初步论证了优选的激光织构参数可显著提升钻头轴承的抗磨及承载能力，还具有改善压裂泵柱塞与盘根组件磨损及密封泄露的作用，同时可改善复杂洋流作用下钻井隔水管的绕流阻力和涡激振动，提升阀门耐冲蚀涂层与基底结合性能的作用。有望为极端恶劣工况下制约油气装备寿命和性能提升的瓶颈问题解决提供新的方法，进而为探索油气装备领域表界面仿生织构抗磨减阻的未来工业化应用奠定理论和实验基础。