【摘要】：石油作為一種不可再生的自然資源,具有重要的經濟價值和戰(zhàn)略意義。當前石油開采方式以機械采油為主,而有桿抽油泵仍是我國主要的機械采油工具,其中抽油泵柱塞是有桿抽油泵總成的核心零件。而柱塞運動過程當中的摩擦阻力,在多種環(huán)境因素作用下,將引起柱塞表面磨損失效,影響油田產量及經濟效益。如何延長柱塞的使用壽命,提高抽油泵的工作效率仍是機械采油急需解決的主要問題之一。為適應沙漠中長時間受沙粒磨損的生活環(huán)境,東方沙蚺進化出具有優(yōu)異摩擦學性能的體表鱗片。研究東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機理可為減阻耐磨抽油泵柱塞表面的設計提供仿生學依據。本文針對抽油泵柱塞運動過程中存在摩擦阻力大且表面磨損嚴重的問題,以東方沙蚺為生物模本,研究了東方沙蚺體表鱗片減阻和耐磨原理,借鑒六邊形鱗片形貌特征,開展了仿生六邊形織構表面摩擦和潤滑性能研究。本文使用顯微鏡、仿真模擬、納米壓痕儀和納米摩擦儀,對宏觀及微觀尺度下的東方沙蚺體表鱗片表面形貌特征及材料力學性能進行了測試與分析,探討了東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機理。結果表明,東方沙蚺體表由六邊形鱗片織構所覆蓋,單個鱗片表面具有微米級鱗片和納米級凹坑的非光滑復合結構,鱗片內部為彈性模量/硬度連續(xù)變化的梯度材料且具有摩擦各向異性特點。相比背部和側部鱗片,腹部鱗片具有較低的表面粗糙度和較高的彈性模量/硬度及較大的摩擦系數。分析表明,蛇體表鱗片復合形貌特征與梯度材料之間的耦合作用具有提高鱗片表面減阻耐磨性能的作用。本文借鑒鱗片六邊形織構形貌特征及梯度材料,利用激光淬火技術,設計并制備出多元耦合仿生試樣,探究了耦合仿生效應對試樣表面干摩擦性能的影響。結果表明,多元耦合仿生試樣表面的溝槽具有減小接觸面積、分散表面應力、存儲磨屑、降低二次磨損的作用。而且試樣表層硬度梯度可緩解摩擦過程中對試樣的應力沖擊,在實現穩(wěn)定運動的同時,能夠減少表面材料的剝落,從而更有效地降低試樣表面磨損,進而揭示了耦合仿生減阻耐磨機理。本文搭建了仿生表面激光加工裝置,探究了仿生六邊形織構對45#鋼表面潤滑摩擦性能的影響。對比不同形狀(正三角形、正方形和圓)表面織構,仿生六邊形織構試樣在同樣工況下均表現出最低的摩擦系數,且隨著載荷降低和轉速增加,其潤滑效果更顯著。利用ANSYS軟件,先后對試樣表面油膜壓力及接觸壓力進行仿真分析,模擬結果表明,仿生六邊形織構表面具有較好的流體動壓潤滑效果,且在同等面積下,仿生六邊形織構表面具有最小的接觸應力,因此,二者的耦合作用使仿生六邊形織構表面具有良好的潤滑摩擦性能。本文建立了仿生六邊形織構單元體數學幾何模型與流體力學模型,并利用MATLAB軟件進行數值求解分析,探究了幾何尺寸及工況條件對仿生六邊形單元體表面潤滑摩擦性能的影響。理論計算結果表明,對于幾何尺寸參數,其摩擦系數受面密度和溝槽深度共同影響。在低面密度和深溝槽條件下,取向角度對摩擦系數影響較為顯著。而對于工況條件,其摩擦系數隨著速度和外載的增加而降低,其主要原因在于相對運動速度和外載的增大可以提高流體動壓和承載力。本文利用自行改建的摩擦摩擦試驗裝置,探究仿生六邊形織構單元體在潤滑摩擦性能。試驗結果表明,摩擦試驗現象與理論研究結果具有較好的一致性。在相同工況下,對比光滑試樣,不同幾何尺寸下的仿生六邊形織構單元體均表現出良好的潤滑摩擦性能。選取合適的尺寸參數,加工出仿生抽油泵柱塞小試樣,進行了密封性檢驗。根據漏失量結果表明,仿生六邊形織構沒有增大抽油泵柱塞原有的漏失量,且在一定壓力下,具有提高表面密封性的作用。
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吉林大學博士學位論文是依靠地下巖層能量，在油藏周邊尤其是上層覆蓋的巖石的擠壓作用下，油層流向井底，再經由井筒流向井口，從而實現通過油氣自身壓能作用而油目的的方法[3]。由于其方法簡單，運營成本較低，是一種首選的采油方我國絕大部分油井由于地質環(huán)境因素影響，，油氣的自身能量不足以把其舉面上來，需要人為地利用機械給油氣補充能量，使其得以開發(fā)與利用。目國最主要的開采石油方式是機械采油，國際上主要的機械采油方法分為氣，常規(guī)有桿泵采油，電動潛油離心泵采油，螺桿泵采油，水力射流泵采油中常規(guī)有桿泵采油方式占我國采油總井數的 80%以上[4]。

圖 1.3 有桿抽油泵采油工作原理示意圖惡劣、井身結構、油泵自身性能、泵井不匹配等原因，將引起間發(fā)生摩擦，尤其當油田進入石油開采的中后期，伴隨油井出腐蝕介質等含量急劇增多，傳統的柱塞表面結構及材料已經不工況，且工作人員也無法根據油井具體情況來選用合適的抽油柱塞外表面的磨損愈加嚴重，進而加速柱塞的失效速度，最終濟效益。另外在市場上，由于泵筒的成本約是柱塞的 6~10 倍角度考慮，只單方面注重對泵筒表面的保護設計，而忽略對柱考量，顯然目前十分有必要研發(fā)減阻耐磨的抽油泵柱塞。泵柱塞表面磨損形式及成因油泵柱塞表面磨損機理的探究與分析是研發(fā)減阻耐磨柱塞的設內外研究者利用現場觀測、臺架試驗和仿真模擬等方法，將抽
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE933.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 李孟龍;周瑞芬;馬春陽;;抽油泵泵筒表面沉積Ni-P-SiC鍍層研究[J];兵器材料科學與工程;2017年05期

2 周廣慶;;我國石油經濟的未來發(fā)展研究[J];現代經濟信息;2016年05期

3 羅鵬飛;;柔性金屬抽油泵及在冀東油田的應用[J];石化技術;2015年03期

4 姜民政;張玉娥;董康興;趙國峰;;抽油泵柱塞表面化學沉積Ni-P-SiC鍍層的制備及性能研究[J];功能材料;2014年15期

本文編號：2600874