油氣裝備仿生織構(gòu)設(shè)計(jì)理論與超快激光制備關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范
仿生表面織構(gòu)起源
傳統(tǒng)摩擦學(xué)認(rèn)為光滑表面具有較低摩擦力和磨損,反之,非光滑表面會(huì)帶來(lái)較大的摩擦力和磨損。而自然界進(jìn)化過(guò)程中,某些生物的表面微觀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑和抗磨減磨性能,如鯊魚(yú)皮表面微溝槽表現(xiàn)的超低流體阻力,穿山甲表面微結(jié)構(gòu)的優(yōu)異耐磨抗磨性能。因此,如能掌握其機(jī)理,則可進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。
鉆頭軸承及壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)仿生織構(gòu)潤(rùn)滑減磨設(shè)計(jì)及應(yīng)用
織構(gòu)化鉆頭軸承
鉆頭作為破碎巖石形成井眼的重要工具之一,在高溫高壓、沖擊動(dòng)載及貧脂潤(rùn)滑的惡劣環(huán)境下,其核心部件鉆頭滑動(dòng)軸承易發(fā)生黏著磨損從而最終導(dǎo)致鉆頭整體失效破壞,亟需降耗增壽的新技術(shù)來(lái)為其安全、可靠使用和延壽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保駕護(hù)航。
發(fā)明了基于多物理場(chǎng)耦合的超快激光精準(zhǔn)高效制備的冰霜輔助超快激光刻蝕分束技術(shù)(US17026096,ZL202011229792.1),形成了鉆頭軸承軸徑曲面仿生織構(gòu)的納秒/皮秒的激光加工與表征評(píng)價(jià)方法;目前正在與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中石化江鉆石油機(jī)械有限公司開(kāi)展鉆頭軸承織構(gòu)工業(yè)化的超快激光加工與質(zhì)量檢測(cè)流水線建設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究測(cè)試,可滿足織構(gòu)化鉆頭2000支的年產(chǎn)量需求。
建立了織構(gòu)鉆頭軸承潤(rùn)滑減磨性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)方法(ZL201310416270.6,ZL201710973537.X,.ZL201810946598.1)。以摩擦系數(shù)、磨損量、油膜厚度、溫升和無(wú)量綱承載能力等為評(píng)價(jià)指標(biāo),基于理論研究、單元實(shí)驗(yàn)和全尺寸的臺(tái)架實(shí)驗(yàn),模擬測(cè)試工況下初步優(yōu)選的圓形、橢圓形、人字形溝槽織構(gòu)可使鉆頭軸承減磨性能和壽命提升50%以上。
織構(gòu)化柱塞密封系統(tǒng)
柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)是油氣增產(chǎn)壓裂作業(yè)實(shí)施中壓裂泵裝備的關(guān)鍵部件之一,其在超高壓、沖擊動(dòng)載及交變往復(fù)運(yùn)動(dòng)工況下,壓裂泵柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)易發(fā)生磨損失效而導(dǎo)致密封刺漏等失效,是制約壓裂泵工作性能、可靠性和作業(yè)成本的關(guān)鍵因素, 亟需創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法來(lái)提升壓裂泵柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)的壽命及可靠性。
發(fā)明了柱塞表面仿生織構(gòu)大尺寸拼接刻蝕工藝規(guī)劃及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(ZL201910892024.5), 創(chuàng)新研發(fā)了柱塞織構(gòu)批量化激光分束加工的軟件控制系統(tǒng)和配套夾具系統(tǒng)。
發(fā)明了表面織構(gòu)化壓裂泵柱塞及其動(dòng)密封系統(tǒng)性能抗磨減磨性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究與試驗(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)方法(ZL201310423514.3),基于理論模擬、單元及全尺寸臺(tái)架實(shí)驗(yàn),初步優(yōu)選的圓形和橢圓形織構(gòu)布置于壓裂泵柱塞表面可實(shí)現(xiàn)柱塞動(dòng)密封系統(tǒng)的摩擦系數(shù)和溫升降低45%以上,壽命延長(zhǎng)30%以上,目前正在與中石油第四石油機(jī)械有限公司和中油國(guó)家鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)試。
未來(lái)應(yīng)用前景及市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
該技術(shù)垂直應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橛蜌饪碧介_(kāi)發(fā)裝備、油氣集輸裝備、通用機(jī)械裝備的潤(rùn)滑、密封、抗沖蝕與減阻等領(lǐng)域,摩擦消耗了一次能源的1/3以上,80%的裝備失效是由磨損引起的。兩者造成的損失相當(dāng)于GDP2%-7%,2019年我國(guó)的GDP為99萬(wàn)億元,按5%計(jì)算約為4.95萬(wàn)億元。
西南石油大學(xué)
2021-05-10