仿生表面織構(gòu)及其在油氣裝備中的應(yīng)用

1、仿生表面織構(gòu)及其在仿生表面織構(gòu)及其在油氣裝備中的應(yīng)用油氣裝備中的應(yīng)用王國榮王國榮2016-11-5目目 錄錄 三、仿生織構(gòu)減磨研究三、仿生織構(gòu)減磨研究- -鉆頭軸承與柱塞動密封副鉆頭軸承與柱塞動密封副四、仿生表面織構(gòu)減阻研究四、仿生表面織構(gòu)減阻研究- -深水鉆井隔水管深水鉆井隔水管二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)的簡介二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)的簡介一、油氣裝備的工程背景一、油氣裝備的工程背景五、總結(jié)和展望五、總結(jié)和展望一、油氣裝備工程背景一、油氣裝備工程背景u 石油和天然氣是目前石油和天然氣是目前一次能源的重要組成一次能源的重要組成部分部分u 油氣裝備是石油天然油氣裝備是石油天然氣勘探開發(fā)的重要支氣勘探開發(fā)的重要

2、支撐，其性能和壽命在撐，其性能和壽命在很大程度上影響著石很大程度上影響著石油的開發(fā)成本和安全油的開發(fā)成本和安全一、油氣裝備工程背景一、油氣裝備工程背景1 1 牙輪鉆頭工程背景牙輪鉆頭工程背景牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖牙輪鉆頭工況示意圖牙輪鉆頭工況示意圖鉆頭破巖過程模擬鉆頭破巖過程模擬1.1 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)與工況牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)與工況1.2 1.2 牙輪鉆頭軸承失效形式牙輪鉆頭軸承失效形式牙輪鉆頭軸承失效破壞形式牙輪鉆頭軸承失效破壞形式塑性變形塑性變形磨料磨損磨料磨損黏著磨損黏著磨損軸承斷裂軸承斷裂2 2 柱塞泵液力端工程背景柱塞泵液力端工程背景2.1 柱塞泵液力端結(jié)構(gòu)與工況柱塞泵液力端結(jié)構(gòu)

3、與工況大功率、大排量大功率、大排量高排出壓力高排出壓力沖擊動載沖擊動載交變往復(fù)運動交變往復(fù)運動工況惡劣和復(fù)雜工況惡劣和復(fù)雜2.1 柱塞泵液力端零部件失效形式柱塞泵液力端零部件失效形式泵閥沖蝕磨損泵閥沖蝕磨損柱塞密封失效柱塞密封失效閥箱疲勞斷裂閥箱疲勞斷裂u 壓裂泵液力端是目前出現(xiàn)事故最多、失效最嚴(yán)重的部件。主要表現(xiàn)壓裂泵液力端是目前出現(xiàn)事故最多、失效最嚴(yán)重的部件。主要表現(xiàn)為泵閥沖蝕磨損、柱塞密封失效和閥箱疲勞斷裂等三個方面；為泵閥沖蝕磨損、柱塞密封失效和閥箱疲勞斷裂等三個方面；u 柱塞動密封組件的磨損引起泵腔壓裂液的密封泄漏，嚴(yán)重影響柱塞柱塞動密封組件的磨損引起泵腔壓裂液的密封泄漏，嚴(yán)重影響柱

4、塞泵的綜合工作性能，因此，亟需新的工藝及技術(shù)來提升柱塞動密封泵的綜合工作性能，因此，亟需新的工藝及技術(shù)來提升柱塞動密封組件的耐磨性能。組件的耐磨性能。3. 3. 隔水管的工程背景隔水管的工程背景u 隔隔水管是連接平臺與海底防噴器的關(guān)鍵設(shè)備，鉆具、鉆井液要通過數(shù)千水管是連接平臺與海底防噴器的關(guān)鍵設(shè)備，鉆具、鉆井液要通過數(shù)千米的隔水管內(nèi)部到達(dá)井底，隔水管受米的隔水管內(nèi)部到達(dá)井底，隔水管受外部海洋環(huán)境外部海洋環(huán)境與與內(nèi)部鉆井工況內(nèi)部鉆井工況的耦的耦合作用，容易發(fā)生磨損、斷裂等事故；合作用，容易發(fā)生磨損、斷裂等事故；深水鉆井隔水管深水鉆井隔水管墨西哥灣隔水管破壞墨西哥灣隔水管破壞安哥拉鉆井中隔水管破裂

5、安哥拉鉆井中隔水管破裂深水鉆井示意圖深水鉆井示意圖1.1.表面織構(gòu)的概念表面織構(gòu)的概念自然界生物的體表微觀形貌自然界生物的體表微觀形貌u 表面織構(gòu)（表面織構(gòu)（surface texturesurface texture）: :就是在摩擦副表面加工出就是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、形狀和排列的微小結(jié)構(gòu)陣列。具有一定尺寸、形狀和排列的微小結(jié)構(gòu)陣列。u 表面織構(gòu)優(yōu)異功能：表面織構(gòu)優(yōu)異功能：降低摩擦、減小磨損和提高承載能力，降低摩擦、減小磨損和提高承載能力，是改善摩擦副摩擦學(xué)性能的一種有效手段。是改善摩擦副摩擦學(xué)性能的一種有效手段。二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)簡介二、仿生織構(gòu)摩擦學(xué)簡介2.2.表面織構(gòu)的潤滑

6、減磨機理表面織構(gòu)的潤滑減磨機理 產(chǎn)生附件流體動壓產(chǎn)生附件流體動壓 儲存和補充潤滑介質(zhì)儲存和補充潤滑介質(zhì) 捕捉磨損顆粒捕捉磨損顆粒 提升潤滑狀態(tài)提升潤滑狀態(tài)3.3.表面織構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域表面織構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)動機氣缸內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)動機氣缸內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)動機凸輪軸發(fā)動機凸輪軸織構(gòu)切削刀具織構(gòu)切削刀具高爾夫球高爾夫球提升了相對滑動摩擦副的潤滑、提升了相對滑動摩擦副的潤滑、減磨性能；延長了產(chǎn)品的使用壽減磨性能；延長了產(chǎn)品的使用壽命；命；降低了高爾夫球在運動過程中降低了高爾夫球在運動過程中的空氣阻力，提高了運動過程的空氣阻力，提高了運動過程中的平穩(wěn)性；中的平穩(wěn)性；降低了刀具粘著磨損，提高了降低了刀具粘著磨損，提高

7、了刀具的切削壽命；刀具的切削壽命；三、仿生織構(gòu)減磨三、仿生織構(gòu)減磨- -鉆頭軸承與柱塞動密封副鉆頭軸承與柱塞動密封副1.1.表面織構(gòu)在鉆頭軸承潤滑減磨應(yīng)用中的研究表面織構(gòu)在鉆頭軸承潤滑減磨應(yīng)用中的研究鉆頭軸承與銷鉆頭軸承與銷- -盤摩擦副脂潤滑示意圖盤摩擦副脂潤滑示意圖鉆頭軸承工況轉(zhuǎn)換為銷鉆頭軸承工況轉(zhuǎn)換為銷- -盤摩擦副工況的示意圖盤摩擦副工況的示意圖1.11.1單元試驗方案單元試驗方案 基于赫茲接觸理論，鉆頭軸承軸頸與軸套簡化為銷基于赫茲接觸理論，鉆頭軸承軸頸與軸套簡化為銷- -盤試樣的相對滑動。盤試樣的相對滑動。發(fā)明專利：發(fā)明專利：織構(gòu)化牙輪鉆頭滑動軸承及單元摩擦學(xué)性能測試織構(gòu)化牙輪鉆頭

8、滑動軸承及單元摩擦學(xué)性能測試( (授權(quán)：授權(quán)：ZL201310416270.6ZL201310416270.6）l 幾何相似 l 索莫菲爾德相似 基于相似理論的鉆頭滑動軸承試樣設(shè)計基于相似理論的鉆頭滑動軸承試樣設(shè)計鉆頭滑動軸承模擬實驗裝置鉆頭滑動軸承模擬實驗裝置1.2 1.2 縮比試驗方案縮比試驗方案1.3 1.3 鉆頭軸承摩擦副表面織構(gòu)的設(shè)計鉆頭軸承摩擦副表面織構(gòu)的設(shè)計圓柱形凹坑圓柱形凹坑橢圓形凹坑橢圓形凹坑十字交叉形溝槽十字交叉形溝槽波浪形溝槽波浪形溝槽u低速重載工況下潤滑、減磨效果較優(yōu)織構(gòu)低速重載工況下潤滑、減磨效果較優(yōu)織構(gòu)引入鉆頭軸承引入鉆頭軸承1.4 1.4 鉆頭軸承配對副表面織構(gòu)的

9、微加工鉆頭軸承配對副表面織構(gòu)的微加工機械精密雕刻機械精密雕刻納秒激光雕刻納秒激光雕刻飛秒激光雕刻飛秒激光雕刻曲面納秒激光燒蝕曲面納秒激光燒蝕- 1.- 1.圓形凹坑圓形凹坑2.2.橢圓形凹坑橢圓形凹坑3.3.人字形溝槽人字形溝槽4.4.三角形凹坑三角形凹坑優(yōu)選織構(gòu)磨損量隨深度參數(shù)的變化優(yōu)選織構(gòu)磨損量隨深度參數(shù)的變化橢圓形和圓柱形織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線橢圓形和圓柱形織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線微溝槽織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線微溝槽織構(gòu)摩擦系數(shù)變化曲線微溝槽織構(gòu)磨損量變化曲線微溝槽織構(gòu)磨損量變化曲線G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineerin

10、g Tribology, 12,1392(2014)G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 230,7783(2015) 優(yōu)選圓柱形凹坑優(yōu)選圓柱形凹坑d=300m， =5.04%，h=40m； 優(yōu)選橢圓形凹坑優(yōu)選橢圓形凹坑=10.08%；十字交叉形和十字交叉形和波浪形波浪形微溝槽織構(gòu)微溝槽織構(gòu)存在優(yōu)選存在優(yōu)選的面積比和夾角使配的面積比和夾角使配對副的摩擦系數(shù)減磨對副的摩擦系數(shù)減磨性能較優(yōu)性能較優(yōu)；1.5 1.5 鉆頭軸承（銷鉆頭軸承（銷- -盤）配對副盤）配對副- -織構(gòu)的潤滑減磨性能織構(gòu)的潤

11、滑減磨性能u 鉆頭軸承配對副摩擦性能鉆頭軸承配對副摩擦性能- -圓形、橢圓形和微溝槽織構(gòu)圓形、橢圓形和微溝槽織構(gòu)u 鉆頭軸承配對副摩擦性能鉆頭軸承配對副摩擦性能-Stribeck -Stribeck 參數(shù)和深徑比參數(shù)和深徑比摩擦系數(shù)隨摩擦系數(shù)隨Stribeck Stribeck 參數(shù)的變化參數(shù)的變化無織構(gòu)（左）與優(yōu)選織構(gòu)（右）磨損形貌對比無織構(gòu)（左）與優(yōu)選織構(gòu)（右）磨損形貌對比優(yōu)選微凹坑磨損量變化曲線優(yōu)選微凹坑磨損量變化曲線X. He, L. Zhong, et al, Industrial Lubrication and Tribology, 67, 630, 2015 l 鉆頭軸承銷鉆頭軸

12、承銷- -盤織構(gòu)試樣優(yōu)選深徑盤織構(gòu)試樣優(yōu)選深徑比為比為0.1650.165和和0.4830.483時時，潤滑、減磨性能較優(yōu)。，潤滑、減磨性能較優(yōu)。(b) = 0.165(a) = 0圓形（圓柱形）圓形（圓柱形）橢圓形織構(gòu)橢圓形織構(gòu)人字形織構(gòu)人字形織構(gòu)三角形織構(gòu)三角形織構(gòu) 面積面積比比5%-30%5%-30%范范圍內(nèi)，圓柱形、圍內(nèi)，圓柱形、橢圓形、橢圓形、人字形人字形和和三角形三角形織構(gòu)顯織構(gòu)顯著提升了鉆頭軸著提升了鉆頭軸承的潤滑性能；承的潤滑性能； 針對所測試織構(gòu)針對所測試織構(gòu)參數(shù)，優(yōu)選的織參數(shù)，優(yōu)選的織構(gòu)面積比參數(shù)可構(gòu)面積比參數(shù)可使軸承的摩擦系使軸承的摩擦系數(shù)數(shù)降低降低43.2%43.2%以

13、上。以上。1.6 1.6 鉆頭軸承縮比模型配對副鉆頭軸承縮比模型配對副- -織構(gòu)的潤滑減磨性能織構(gòu)的潤滑減磨性能u 鉆頭軸承縮比模型摩擦系數(shù)鉆頭軸承縮比模型摩擦系數(shù)- -不同織構(gòu)類型不同織構(gòu)類型Submitted the paper to 7th International Conference on Surface Engineeringu 鉆頭滑動軸承縮比模型軸頸磨損量鉆頭滑動軸承縮比模型軸頸磨損量- -不同織構(gòu)類型不同織構(gòu)類型圓形（圓柱形）凹坑圓形（圓柱形）凹坑橢圓形凹坑橢圓形凹坑人字形溝槽人字形溝槽三角形凹坑三角形凹坑 優(yōu)選的圓柱優(yōu)選的圓柱形、橢圓形、形、橢圓形、人字形和三人字形和三角

14、形溝槽織角形溝槽織構(gòu)參數(shù)可使構(gòu)參數(shù)可使鉆頭滑動軸鉆頭滑動軸承軸頸的減承軸頸的減磨效率提升磨效率提升41.8%41.8%以上。以上。u 鉆頭滑動軸承縮比模型鉆頭滑動軸承縮比模型- -優(yōu)選織構(gòu)軸頸與光滑軸頸的磨損形貌優(yōu)選織構(gòu)軸頸與光滑軸頸的磨損形貌 合理的織合理的織構(gòu)參數(shù)布構(gòu)參數(shù)布置于軸頸置于軸頸表面可顯表面可顯著降低軸著降低軸承的粘著承的粘著磨損失效。磨損失效。2.2.表面織構(gòu)在柱塞動密封系統(tǒng)減磨應(yīng)用中研究表面織構(gòu)在柱塞動密封系統(tǒng)減磨應(yīng)用中研究編編號號凹坑直徑凹坑直徑（mmmm）面積比面積比(%)(%)排列排列凹坑深度凹坑深度潤滑劑潤滑劑0#無織構(gòu)0 h=610mL-CKD1501#0.110.

15、5交錯2#0.121均勻3#0.22均勻初步結(jié)論：初步結(jié)論： 直徑直徑0.110.110.2mm,0.2mm,面積比面積比0.5%0.5% 2%2%，凹坑深度凹坑深度6 6 10m10m的圓柱形柱塞織構(gòu)的圓柱形柱塞織構(gòu)可可以顯著的提高壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)的減磨以顯著的提高壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)的減磨性能性能。2.12.1表面織構(gòu)提升柱塞動密封系統(tǒng)潤滑性能的可行性表面織構(gòu)提升柱塞動密封系統(tǒng)潤滑性能的可行性結(jié)論：結(jié)論： 柱塞試樣表面布置有合適幾何參數(shù)的圓柱形、橢圓形及方形微凹坑，可顯著提升剛體-彈性體配對副的潤滑、減磨性能。X. He, et al, TRIBOLOGY, 04,364(2014).G.

16、Wang et al, LUBRICATION ENGINEERING,40,17(2015).2.2 2.2 織構(gòu)類型對柱塞動密封配對副摩擦磨損性能影響織構(gòu)類型對柱塞動密封配對副摩擦磨損性能影響摩擦系數(shù)曲線摩擦系數(shù)曲線溫升曲線溫升曲線磨損量曲線磨損量曲線圓形凹坑圓形凹坑橢圓形凹坑橢圓形凹坑條形溝槽條形溝槽方形溝槽方形溝槽l 邊界條件：進出口壓力均為151.8MPa；移動速度u=2.24m/s;織構(gòu)深度h=35m；無織構(gòu)油膜厚度h0=0.958m 。l 結(jié)論：圓柱形、橢圓形及方形微凹坑的油膜承載能力顯著優(yōu)于無織構(gòu)油膜承載能力。2.3 2.3 織構(gòu)類型對柱塞動密封配對副承載能力的影響織構(gòu)類型對柱

17、塞動密封配對副承載能力的影響單個凹坑織構(gòu)的仿真模型單個凹坑織構(gòu)的仿真模型發(fā)明專利：發(fā)明專利：表面織構(gòu)化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方案表面織構(gòu)化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方案(ZL201310423514.3(ZL201310423514.3）, ,授權(quán)授權(quán)2.4 2.4 全尺寸織構(gòu)柱塞試樣的納秒激光加工全尺寸織構(gòu)柱塞試樣的納秒激光加工全織構(gòu)柱塞試樣納秒激光加工優(yōu)選表面織構(gòu)全織構(gòu)柱塞試樣納秒激光加工優(yōu)選表面織構(gòu)四、仿生表面織構(gòu)減阻研究四、仿生表面織構(gòu)減阻研究- -深水鉆井隔水管深水鉆井隔水管4.1 4.1 立管渦激振動抑制裝置立管渦激振動抑制裝置旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分分離離盤盤附屬管線控制附

18、屬管線控制旋轉(zhuǎn)整流罩和實物旋轉(zhuǎn)整流罩和實物不適用不適用四、仿生表面織構(gòu)減阻研究四、仿生表面織構(gòu)減阻研究- -深水鉆井隔水管深水鉆井隔水管一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結(jié)構(gòu)一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結(jié)構(gòu)(201410626829.2(201410626829.2)一種深水鉆井工況下隔水管振動特性模擬試驗裝置（一種深水鉆井工況下隔水管振動特性模擬試驗裝置（ZL2013 2 0248422.1）Q.Y. Liu et al, Natural gas industry,12, 6(2013).S.W. Zhou,et al, China offshore oil and gas

19、,6,1(2013)國家科技進步特等獎（集體獎，個人第國家科技進步特等獎（集體獎，個人第3/單位第單位第5）洋洋流流隔隔水水管管撓度撓度h h由于洋流阻力作用，引起隔由于洋流阻力作用，引起隔水管軸向應(yīng)力集中、振動幅水管軸向應(yīng)力集中、振動幅值增大，隔水管壽命降低。值增大，隔水管壽命降低。首次提出隔水管浮力材料表面首次提出隔水管浮力材料表面布置合理織構(gòu)參數(shù)的構(gòu)想，進布置合理織構(gòu)參數(shù)的構(gòu)想，進而減小隔水管表面由于洋流引而減小隔水管表面由于洋流引起的橫向力。起的橫向力。4.2 4.2 基于隔水管渦激振動織構(gòu)減阻新構(gòu)想基于隔水管渦激振動織構(gòu)減阻新構(gòu)想4.3 4.3 織構(gòu)隔水管繞流減阻仿真分析織構(gòu)隔水管繞

20、流減阻仿真分析入口入口出口出口流速流速2m/s織構(gòu)隔水管繞流減阻數(shù)值仿真分析模型織構(gòu)隔水管繞流減阻數(shù)值仿真分析模型 探索隔水管表面布置仿生織構(gòu)時，探索隔水管表面布置仿生織構(gòu)時，表面張力系數(shù)、升力系表面張力系數(shù)、升力系數(shù)、斯特努爾哈數(shù)、速度分布和壓力分布數(shù)、斯特努爾哈數(shù)、速度分布和壓力分布隨隨織構(gòu)形狀、幾織構(gòu)形狀、幾何參數(shù)和排列的變化規(guī)律何參數(shù)和排列的變化規(guī)律，從而對減阻效果較優(yōu)的表面織，從而對減阻效果較優(yōu)的表面織構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計； 模型建立：模型建立：基于雷諾相似設(shè)計模型尺寸?；诶字Z相似設(shè)計模型尺寸。隔水管繞流減阻測試實驗裝置示意圖隔水管繞流減阻測試實驗裝置示意圖雷諾數(shù)、織構(gòu)參數(shù)雷諾數(shù)、織構(gòu)參數(shù)隔水管試樣橫向及縱向力分布影響規(guī)律隔水管試樣橫向及縱向力分布影響規(guī)律4.4 4.4 織構(gòu)隔水管繞流減阻實驗研究織構(gòu)隔水管繞流減阻實驗研究發(fā)明專利：發(fā)明專利：一種隔水管繞流阻力系數(shù)和升力系數(shù)的測定裝置及方法（一種