仿生表面织构及其在油气装备中的应用

1、仿生表面织构及其在仿生表面织构及其在油气装备中的应用油气装备中的应用王国荣王国荣2016-11-5目目 录录 三、仿生织构减磨研究三、仿生织构减磨研究- -钻头轴承与柱塞动密封副钻头轴承与柱塞动密封副四、仿生表面织构减阻研究四、仿生表面织构减阻研究- -深水钻井隔水管深水钻井隔水管二、仿生织构摩擦学的简介二、仿生织构摩擦学的简介一、油气装备的工程背景一、油气装备的工程背景五、总结和展望五、总结和展望一、油气装备工程背景一、油气装备工程背景u 石油和天然气是目前石油和天然气是目前一次能源的重要组成一次能源的重要组成部分部分u 油气装备是石油天然油气装备是石油天然气勘探开发的重要支气勘探开发的重要

2、支撑，其性能和寿命在撑，其性能和寿命在很大程度上影响着石很大程度上影响着石油的开发成本和安全油的开发成本和安全一、油气装备工程背景一、油气装备工程背景1 1 牙轮钻头工程背景牙轮钻头工程背景牙轮钻头结构示意图牙轮钻头结构示意图牙轮钻头工况示意图牙轮钻头工况示意图钻头破岩过程模拟钻头破岩过程模拟1.1 牙轮钻头结构与工况牙轮钻头结构与工况1.2 1.2 牙轮钻头轴承失效形式牙轮钻头轴承失效形式牙轮钻头轴承失效破坏形式牙轮钻头轴承失效破坏形式塑性变形塑性变形磨料磨损磨料磨损黏着磨损黏着磨损轴承断裂轴承断裂2 2 柱塞泵液力端工程背景柱塞泵液力端工程背景2.1 柱塞泵液力端结构与工况柱塞泵液力端结构

3、与工况大功率、大排量大功率、大排量高排出压力高排出压力冲击动载冲击动载交变往复运动交变往复运动工况恶劣和复杂工况恶劣和复杂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阀冲蚀磨损泵阀冲蚀磨损柱塞密封失效柱塞密封失效阀箱疲劳断裂阀箱疲劳断裂u 压裂泵液力端是目前出现事故最多、失效最严重的部件。主要表现压裂泵液力端是目前出现事故最多、失效最严重的部件。主要表现为泵阀冲蚀磨损、柱塞密封失效和阀箱疲劳断裂等三个方面；为泵阀冲蚀磨损、柱塞密封失效和阀箱疲劳断裂等三个方面；u 柱塞动密封组件的磨损引起泵腔压裂液的密封泄漏，严重影响柱塞柱塞动密封组件的磨损引起泵腔压裂液的密封泄漏，严重影响柱

4、塞泵的综合工作性能，因此，亟需新的工艺及技术来提升柱塞动密封泵的综合工作性能，因此，亟需新的工艺及技术来提升柱塞动密封组件的耐磨性能。组件的耐磨性能。3. 3. 隔水管的工程背景隔水管的工程背景u 隔隔水管是连接平台与海底防喷器的关键设备，钻具、钻井液要通过数千水管是连接平台与海底防喷器的关键设备，钻具、钻井液要通过数千米的隔水管内部到达井底，隔水管受米的隔水管内部到达井底，隔水管受外部海洋环境外部海洋环境与与内部钻井工况内部钻井工况的耦的耦合作用，容易发生磨损、断裂等事故；合作用，容易发生磨损、断裂等事故；深水钻井隔水管深水钻井隔水管墨西哥湾隔水管破坏墨西哥湾隔水管破坏安哥拉钻井中隔水管破裂

5、安哥拉钻井中隔水管破裂深水钻井示意图深水钻井示意图1.1.表面织构的概念表面织构的概念自然界生物的体表微观形貌自然界生物的体表微观形貌u 表面织构（表面织构（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、形状和排列的微小结构阵列。具有一定尺寸、形状和排列的微小结构阵列。u 表面织构优异功能：表面织构优异功能：降低摩擦、减小磨损和提高承载能力，降低摩擦、减小磨损和提高承载能力，是改善摩擦副摩擦学性能的一种有效手段。是改善摩擦副摩擦学性能的一种有效手段。二、仿生织构摩擦学简介二、仿生织构摩擦学简介2.2.表面织构的润滑

6、减磨机理表面织构的润滑减磨机理 产生附件流体动压产生附件流体动压 储存和补充润滑介质储存和补充润滑介质 捕捉磨损颗粒捕捉磨损颗粒 提升润滑状态提升润滑状态3.3.表面织构的应用领域表面织构的应用领域发动机气缸内部微结构发动机气缸内部微结构发动机凸轮轴发动机凸轮轴织构切削刀具织构切削刀具高尔夫球高尔夫球提升了相对滑动摩擦副的润滑、提升了相对滑动摩擦副的润滑、减磨性能；延长了产品的使用寿减磨性能；延长了产品的使用寿命；命；降低了高尔夫球在运动过程中降低了高尔夫球在运动过程中的空气阻力，提高了运动过程的空气阻力，提高了运动过程中的平稳性；中的平稳性；降低了刀具粘着磨损，提高了降低了刀具粘着磨损，提高

7、了刀具的切削寿命；刀具的切削寿命；三、仿生织构减磨三、仿生织构减磨- -钻头轴承与柱塞动密封副钻头轴承与柱塞动密封副1.1.表面织构在钻头轴承润滑减磨应用中的研究表面织构在钻头轴承润滑减磨应用中的研究钻头轴承与销钻头轴承与销- -盘摩擦副脂润滑示意图盘摩擦副脂润滑示意图钻头轴承工况转换为销钻头轴承工况转换为销- -盘摩擦副工况的示意图盘摩擦副工况的示意图1.11.1单元试验方案单元试验方案 基于赫兹接触理论，钻头轴承轴颈与轴套简化为销基于赫兹接触理论，钻头轴承轴颈与轴套简化为销- -盘试样的相对滑动。盘试样的相对滑动。发明专利：发明专利：织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试织构化牙轮钻头

8、滑动轴承及单元摩擦学性能测试( (授权：授权：ZL201310416270.6ZL201310416270.6）l 几何相似 l 索莫菲尔德相似 基于相似理论的钻头滑动轴承试样设计基于相似理论的钻头滑动轴承试样设计钻头滑动轴承模拟实验装置钻头滑动轴承模拟实验装置1.2 1.2 缩比试验方案缩比试验方案1.3 1.3 钻头轴承摩擦副表面织构的设计钻头轴承摩擦副表面织构的设计圆柱形凹坑圆柱形凹坑椭圆形凹坑椭圆形凹坑十字交叉形沟槽十字交叉形沟槽波浪形沟槽波浪形沟槽u低速重载工况下润滑、减磨效果较优织构低速重载工况下润滑、减磨效果较优织构引入钻头轴承引入钻头轴承1.4 1.4 钻头轴承配对副表面织构的

9、微加工钻头轴承配对副表面织构的微加工机械精密雕刻机械精密雕刻纳秒激光雕刻纳秒激光雕刻飞秒激光雕刻飞秒激光雕刻曲面纳秒激光烧蚀曲面纳秒激光烧蚀- 1.- 1.圆形凹坑圆形凹坑2.2.椭圆形凹坑椭圆形凹坑3.3.人字形沟槽人字形沟槽4.4.三角形凹坑三角形凹坑优选织构磨损量随深度参数的变化优选织构磨损量随深度参数的变化椭圆形和圆柱形织构摩擦系数变化曲线椭圆形和圆柱形织构摩擦系数变化曲线微沟槽织构摩擦系数变化曲线微沟槽织构摩擦系数变化曲线微沟槽织构磨损量变化曲线微沟槽织构磨损量变化曲线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) 优选圆柱形凹坑优选圆柱形凹坑d=300m， =5.04%，h=40m； 优选椭圆形凹坑优选椭圆形凹坑=10.08%；十字交叉形和十字交叉形和波浪形波浪形微沟槽织构微沟槽织构存在优选存在优选的面积比和夹角使配的面积比和夹角使配对副的摩擦系数减磨对副的摩擦系数减磨性能较优性能较优；1.5 1.5 钻头轴承（销钻头轴承（销- -盘）配对副盘）配对副- -织构的润滑减磨性能织构的润

11、滑减磨性能u 钻头轴承配对副摩擦性能钻头轴承配对副摩擦性能- -圆形、椭圆形和微沟槽织构圆形、椭圆形和微沟槽织构u 钻头轴承配对副摩擦性能钻头轴承配对副摩擦性能-Stribeck -Stribeck 参数和深径比参数和深径比摩擦系数随摩擦系数随Stribeck Stribeck 参数的变化参数的变化无织构（左）与优选织构（右）磨损形貌对比无织构（左）与优选织构（右）磨损形貌对比优选微凹坑磨损量变化曲线优选微凹坑磨损量变化曲线X. He, L. Zhong, et al, Industrial Lubrication and Tribology, 67, 630, 2015 l 钻头轴承销钻头轴

12、承销- -盘织构试样优选深径盘织构试样优选深径比为比为0.1650.165和和0.4830.483时时，润滑、减磨性能较优。，润滑、减磨性能较优。(b) = 0.165(a) = 0圆形（圆柱形）圆形（圆柱形）椭圆形织构椭圆形织构人字形织构人字形织构三角形织构三角形织构 面积面积比比5%-30%5%-30%范范围内，圆柱形、围内，圆柱形、椭圆形、椭圆形、人字形人字形和和三角形三角形织构显织构显著提升了钻头轴著提升了钻头轴承的润滑性能；承的润滑性能； 针对所测试织构针对所测试织构参数，优选的织参数，优选的织构面积比参数可构面积比参数可使轴承的摩擦系使轴承的摩擦系数数降低降低43.2%43.2%以

13、上。以上。1.6 1.6 钻头轴承缩比模型配对副钻头轴承缩比模型配对副- -织构的润滑减磨性能织构的润滑减磨性能u 钻头轴承缩比模型摩擦系数钻头轴承缩比模型摩擦系数- -不同织构类型不同织构类型Submitted the paper to 7th International Conference on Surface Engineeringu 钻头滑动轴承缩比模型轴颈磨损量钻头滑动轴承缩比模型轴颈磨损量- -不同织构类型不同织构类型圆形（圆柱形）凹坑圆形（圆柱形）凹坑椭圆形凹坑椭圆形凹坑人字形沟槽人字形沟槽三角形凹坑三角形凹坑 优选的圆柱优选的圆柱形、椭圆形、形、椭圆形、人字形和三人字形和三角

14、形沟槽织角形沟槽织构参数可使构参数可使钻头滑动轴钻头滑动轴承轴颈的减承轴颈的减磨效率提升磨效率提升41.8%41.8%以上。以上。u 钻头滑动轴承缩比模型钻头滑动轴承缩比模型- -优选织构轴颈与光滑轴颈的磨损形貌优选织构轴颈与光滑轴颈的磨损形貌 合理的织合理的织构参数布构参数布置于轴颈置于轴颈表面可显表面可显著降低轴著降低轴承的粘着承的粘着磨损失效。磨损失效。2.2.表面织构在柱塞动密封系统减磨应用中研究表面织构在柱塞动密封系统减磨应用中研究编编号号凹坑直径凹坑直径（mmmm）面积比面积比(%)(%)排列排列凹坑深度凹坑深度润滑剂润滑剂0#无织构0 h=610mL-CKD1501#0.110.

15、5交错2#0.121均匀3#0.22均匀初步结论：初步结论： 直径直径0.110.110.2mm,0.2mm,面积比面积比0.5%0.5% 2%2%，凹坑深度凹坑深度6 6 10m10m的圆柱形柱塞织构的圆柱形柱塞织构可可以显著的提高压裂泵柱塞密封系统的减磨以显著的提高压裂泵柱塞密封系统的减磨性能性能。2.12.1表面织构提升柱塞动密封系统润滑性能的可行性表面织构提升柱塞动密封系统润滑性能的可行性结论：结论： 柱塞试样表面布置有合适几何参数的圆柱形、椭圆形及方形微凹坑，可显著提升刚体-弹性体配对副的润滑、减磨性能。X. He, et al, TRIBOLOGY, 04,364(2014).G.

16、Wang et al, LUBRICATION ENGINEERING,40,17(2015).2.2 2.2 织构类型对柱塞动密封配对副摩擦磨损性能影响织构类型对柱塞动密封配对副摩擦磨损性能影响摩擦系数曲线摩擦系数曲线温升曲线温升曲线磨损量曲线磨损量曲线圆形凹坑圆形凹坑椭圆形凹坑椭圆形凹坑条形沟槽条形沟槽方形沟槽方形沟槽l 边界条件：进出口压力均为151.8MPa；移动速度u=2.24m/s;织构深度h=35m；无织构油膜厚度h0=0.958m 。l 结论：圆柱形、椭圆形及方形微凹坑的油膜承载能力显著优于无织构油膜承载能力。2.3 2.3 织构类型对柱塞动密封配对副承载能力的影响织构类型对柱

17、塞动密封配对副承载能力的影响单个凹坑织构的仿真模型单个凹坑织构的仿真模型发明专利：发明专利：表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方案表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方案(ZL201310423514.3(ZL201310423514.3）, ,授权授权2.4 2.4 全尺寸织构柱塞试样的纳秒激光加工全尺寸织构柱塞试样的纳秒激光加工全织构柱塞试样纳秒激光加工优选表面织构全织构柱塞试样纳秒激光加工优选表面织构四、仿生表面织构减阻研究四、仿生表面织构减阻研究- -深水钻井隔水管深水钻井隔水管4.1 4.1 立管涡激振动抑制装置立管涡激振动抑制装置旋旋转转分分离离盘盘附属管线控制附

18、属管线控制旋转整流罩和实物旋转整流罩和实物不适用不适用四、仿生表面织构减阻研究四、仿生表面织构减阻研究- -深水钻井隔水管深水钻井隔水管一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构(201410626829.2(201410626829.2)一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置（一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置（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)国家科技进步特等奖（集体奖，个人第国家科技进步特等奖（集体奖，个人第3/单位第单位第5）洋洋流流隔隔水水管管挠度挠度h h由于洋流阻力作用，引起隔由于洋流阻力作用，引起隔水管轴向应力集中、振动幅水管轴向应力集中、振动幅值增大，隔水管寿命降低。值增大，隔水管寿命降低。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织构参数的构想，进布置合理织构参数的构想，进而减小隔水管表面由于洋流引而减小隔水管表面由于洋流引起的横向力。起的横向力。4.2 4.2 基于隔水管涡激振动织构减阻新构想基于隔水管涡激振动织构减阻新构想4.3 4.3 织构隔水管绕流减阻仿真分析织构隔水管绕

20、流减阻仿真分析入口入口出口出口流速流速2m/s织构隔水管绕流减阻数值仿真分析模型织构隔水管绕流减阻数值仿真分析模型 探索隔水管表面布置仿生织构时，探索隔水管表面布置仿生织构时，表面张力系数、升力系表面张力系数、升力系数、斯特努尔哈数、速度分布和压力分布数、斯特努尔哈数、速度分布和压力分布随随织构形状、几织构形状、几何参数和排列的变化规律何参数和排列的变化规律，从而对减阻效果较优的表面织，从而对减阻效果较优的表面织构参数进行优化设计；构参数进行优化设计； 模型建立：模型建立：基于雷诺相似设计模型尺寸。基于雷诺相似设计模型尺寸。隔水管绕流减阻测试实验装置示意图隔水管绕流减阻测试实验装置示意图雷诺数、织构参数雷诺数、织构参数隔水管试样横向及纵向力分布影响规律隔水管试样横向及纵向力分布影响规律4.4 4.4 织构隔水管绕流减阻实验研究织构隔水管绕流减阻实验研究发明专利：发明专利：一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法（一种