CN111270068A - 一种提升压裂泵泵头体内腔相贯线位置疲劳寿命的表面强化工艺 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术处理的压裂泵泵头体内腔相贯线位置疲劳强度不够高，处理工艺复杂、能耗较高等问题，本发明提供了一种提升压裂泵泵头体内腔相贯线位置疲劳寿命的表面强化工艺：采用激光冲击强化技术对上述4330钢制泵头体的薄弱位置进行表面强化处理，激光的功率密度为(2‑9)×10⁹W/cm²，激光脉宽为8‑20ns，吸收保护层为黑胶带或黑漆，约束层为水。激光冲击强化技术至少可以提升疲劳寿命达2.05倍以上。经激光冲击强化处理后，在次表层0.2mm位置，残余压应力值最大为618.7MPa，距离表面1.5mm范围内均处于残余压应力状态；显微硬度由354.7HV_0.2提升至421.8HV_0.2，提升了18.9%。

Description

一种提升压裂泵泵头体内腔相贯线位置疲劳寿命的表面强化 工艺

技术领域

本发明属于金属零部件抗疲劳制造领域，尤其涉及金属表面强化处理，提升压裂泵泵头体材料疲劳寿命的工艺。

背景技术

压裂设备为压裂作业提供了硬件支撑，核心设备就是压裂泵，泵头体作为压裂泵的核心部件，内腔结构复杂，通常由三组或五组相贯内孔组成。泵头体作为压裂设备中价格昂贵的易损件，在现场服役过程中内腔承受脉动循环高压载荷，相贯线处的应力集中会对裂尖应力应变场产生影响，使泵头体堵头腔、排出腔和柱塞孔的相贯线处出现疲劳开裂。由于工作环境恶劣，我国超高压泵头体的平均寿命通常在100h以下，远低于压裂设备中的其它常规构件，严重影响了油气田的开发效率和经济效益。因此，有必要对提升泵头体寿命的强化工艺进行研究。

目前，压裂泵泵头体疲劳源均位于相贯线位置，提升压裂泵泵头体寿命主要关注相贯线处的表面处理方法。

（1）喷丸强化

喷丸强化是利用高速喷丸的细小弹丸冲击泵头体相贯线区域，使相贯线区域金属表层产生弹、塑性变形，使表层呈现残余压应力状态的表面强化工艺。

喷丸强化的优点是：工艺成熟，设备简单。但是强化层通常在0.3mm左右，提升偏劳性能效果有限，耗材消耗及环境污染均比较严重。

（2）化学热处理

化学热处理工艺是对特定中碳合金结构钢进行渗碳处理，控制渗层深度和碳化物级别，而后直接淬火、回火获得较高的表面硬度。通过热处理在工件表面或亚表面产生高的压应力，使工件表面形成均匀、完全的马氏体，进而提升泵头体疲劳性能的强化工艺。

化学热处理工艺优点是：强化效果明显。但是，由于泵头体尺寸巨大，对热处理设备要求较高，热处理成本及能源消耗极具上升。

（3）自增强处理

自增强处理技术是对使用前的泵头体内壁加载超高压李，使构件由内而外形成一定厚度的塑性变形层，然后将加载的超高压力卸载，此时，由于外层弹性部分的恢复，压缩内层的塑性层，从而产生残余压应力，自增强技术包含机械式挤压法、直接静液压法、爆炸膨胀法和固体自增强法。

自增强处理技术优点：处理后的构件内腔压力分布更加均匀，可以抵消部分工作压力，降低内腔整体压力水平。由于泵头体型号多样、泵头体的结构有所差别，对于生产厂选择合适的自增强工艺成本将会增加。同时，机械式挤压在操作过程中可能会造成内壁外表面损伤，直接静压法经常遇到超高压的压力源、管道和密封问题，爆炸膨胀法无法保障腔内处理状态一致性，固体自增强工艺实施难度较高。

发明内容

综上所述，本发明所实际要解决的技术问题是现有技术处理后的压裂泵泵头体疲劳强度不够高，处理工艺复杂、能耗较高等问题。为此，本发明采用激光冲击强化技术对压裂泵泵头体内腔相贯线位置进行表面强化，进而在金属表层形成残余压应力层，提升泵头体金属材料的疲劳强度和显微硬度。

激光冲击强化技术是近几年一项较先进的表面强化技术，原理如图1所示。由功率密度达(2-9)×10⁹W/cm²，脉宽8-20ns的高能激光辐照在金属表面吸收保护层(黑胶带或黑漆)，吸收保护层在吸收激光能量后，部分迅速气化并进一步吸收激光能量产生等离子体爆炸，水约束层会对等离子体爆炸波产生约束作用，那么该等离子体爆炸在金属表面诱导产生高达10GPa的冲击波，可以在金属表层引入1.5mm以上的残余压应力层，从而实现对零件表面的强化，大幅提高疲劳性能。

激光冲击强化技术相比于喷丸强化、化学热处理和自增强处理，在对设备要求、工艺复杂性、强化效果及加工成本有明显优势。

喷丸强化：设备通常处理金属零部件的外表面，处理内腔需要定做特殊喷头，随着舒送管线的增加，配套空压机、储压罐等部附件要求会随之提高，设备体积极具增加。由于参与压应力层较浅，处理后提升疲劳效果有限。且丸料消耗会显著提升增加成本。

化学热处理；由于整个泵头体放置在热处理炉中，化学热处理过程中，按要求对内腔处理，同时会对外壁、连接部位附加处理，有可能导致连接处硬化，带来后续密封问题。

激光冲击强化：采用移动式设备，强化工艺参数可调，在激光出光口定制伸缩工装，可满足不同规格尺寸内腔相贯线的强化需求。图2为压裂泵泵头体强化示意图。

为此，本发明技术所采用的方案包括以下步骤：采用激光冲击强化技术对4330钢制泵头体的金属材料部分进行表面强化处理，激光的功率密度为(2-9)×10⁹W/cm²，激光脉宽为8-20ns，吸收保护层为黑胶带或黑漆，约束层为水。

采用激光冲击强化技术处理时，可以根据不同规格压裂泵泵头体内腔相贯线特征形貌，采用离线编程，对待处理位置进行实时建模，确保在每个冲击点注入最优的强化参数，最终大幅提升疲劳寿命。

所述激光的能量为5J，光斑直径为2.6mm，脉宽为18 ns，搭接率为50%。

本发明的有益效果为：

本发明工艺具有处理方式简单、提升疲劳效果显著，加工成本低廉等特点。

附图说明

图1 激光冲击强化原理图；

图2 压裂泵泵头体激光冲击强化示意图

图3 激光冲击强化效果 (a) 梯度残余应力；(b) 显微硬度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种提升压裂泵泵头体金属材料疲劳寿命的表面强化工艺及效果验证，主要内容如下。

15-5ph钢及4330钢为压裂泵泵头体常用的两种牌号，4330钢属低合金高强度钢，成本较低，加之泵头体又属于易损件，故采用4330钢的比例较高。因此，以泵头体4330钢材料为激光冲击强化对象，验证激光冲击强化技术的抗疲劳效果。以表1中所列激光冲击强化参数为例，对泵头体4330钢材料进行强化处理。

根据经验，材料的疲劳强度通常为0.55~0.6 σ _0.2，为快速验证激光冲击强化的抗疲劳效果，试验载荷选择0.8 σ _0.2。同时，强化处理完成后，对梯度残余应力和显微硬度进行测量。

1 试样制备及激光冲击强化处理

选择四点弯曲疲劳试验方法验证强化效果，疲劳试验规格为10mm×10mm×100mm，对四个10mm×100mm表面使用400#、600#、1000#和1500#金相砂纸依次打磨后进行抛光处理，抛光完成后按照表1中工艺，对其中一个表面进行激光冲击强化处理。

2 强化效果测试

2.1 疲劳试验

四点弯曲试验条件，载荷为0.8 σ _0.2，应力R为0.1，频率为68Hz。对未强化和强化后的表面疲劳寿命进行评价。

2.2 梯度应力及显微硬度测试

采用X-射线衍射和电解抛光的方法对4330钢强化区域进行梯度残余应力测试，同时对两种状态表面的显微硬度进行测试。

3 强化效果

3.1 疲劳寿命

4330钢不同表面状态的四点弯曲疲劳试验结果如表2所示。未强化试样平均循环32.84万次便发生疲劳断裂，而经过强化后的试样至少循环100万次且仍未疲劳断裂。可以推断，在相同应力水平下，激光冲击强化技术至少可以提升疲劳寿命达2.05倍以上。

3.2 梯度残余应力及显微硬度测试结果

梯度残余应力及显微硬度测试结果，分别如图3(a)和图3(b)所示。如图3(a)所示，经激光冲击强化处理后，在次表层0.2mm位置，残余压应力值最大为-618.7MPa，距离表面1.5mm范围内均处于残余压应力状态。由图3(b)可以看出，经激光冲击强化处理后，显微硬度由354.7Hv_0.2提升至421.8Hv_0.2，提升了18.9%。

对比1 喷丸与激光冲击强化齿轮加工效率和成本比较

以加工齿轮齿根部位3720 mm²面积为例，年产20万件为例。强力喷丸和激光冲击强化的加工效率和加工成本对比如表3所示。

由表3可以看出，同样完成年产20万件的齿轮处理，相比于喷丸处理，激光冲击强化在配备人员较少，无污染且极低的耗材成本下就可以实现。

对比2 强化效果对比

表4所示，为机械滚压，喷丸，激光冲击强化的强化对比。

激光冲击强化可以显著提升残余压应力层深度，因此，在常用的表面强化手段中，其提升疲劳性能最为明显。

Claims (3)

1.一种提升压裂泵泵头体内腔相贯线位置疲劳寿命的表面强化工艺，其特征在于，包括以下步骤：采用激光冲击强化技术对4330钢钢制泵头体内腔相贯线位置进行表面强化处理，激光的功率密度为(2-9)×10⁹W/cm²，激光脉宽为8-20ns，吸收保护层为黑胶带或黑漆，约束层为水。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述激光的能量为5J，脉宽为18 ns，搭接率为50%。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，进行激光冲击强化技术处理时，对待处理位置进行实时建模，确定待处理压裂泵泵头体内腔相贯线特征形貌，根据该特征形貌对各冲击点的强化参数进行调整，以大幅提升疲劳寿命。

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