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海上钻井平台泥浆泵冷缸失效机理研究

作　者: 吕浩
导　师: 马小明
学　校: 华南理工大学
专　业: 安全工程
关键词: 钻井泥浆泵冷缸应力腐蚀开裂失效分析
分类号: P742
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 21次
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内容摘要

钻井泥浆泵被比拟为钻井系统的“心脏”，在使用旋转钻井法钻石油、天然气井的作业中，钻井泥浆泵用于泵送钻井液，使其循环流动进行洗井。泥浆泵冷缸作为泥浆泵液力端的主要组成部件之一，冷缸的失效直接导致泥浆泵无法正常工作，不仅使钻井作业被迫停工，给工程造成巨大的麻烦和损失，而且对钻井人员形成巨大的安全隐患。对钻井泥浆泵冷缸开裂失效机理的研究具有重要的工程应用价值和安全防御价值。本文从材料状况、环境状况、应力状况三个方面，采取理化检验、有限元模拟计算等技术手段对泥浆泵冷缸失效机理进行研究。1)通过对泥浆泵冷缸材料的理化检验分析得出：冷缸母材及焊接熔合区材料的硬度、强度偏高，屈强比偏高，材料的韧性、塑性性能不满足要求，造成材料抗变形、脆性断裂、晶间腐蚀的能力下降；焊接质量差和热处理不当造成焊接区域存在大量的焊接气孔和夹渣等焊接缺陷，造成焊接区域材料机械性能变差。2)通过对工作介质泥浆的化学成分分析得出：泥浆溶液的碱性条件及溶液中富含的碳酸盐、卤素离子，易促使低合金钢和Cr-Ni高合金钢发生应力腐蚀开裂；富含的卤素离子还易造成冷缸流道发生表面腐蚀和材料的晶间腐蚀。3)通过对冷缸应力状况的有限元模拟计算分析可得：在正常工作载荷条件下，冷缸内工作应力远远低于冷缸材料的屈服强度；在冷缸焊接部位的流径较小且变径处的流道表面存在高达494.38MPa的残余应力，构成了导致冷缸开裂的应力条件。综合分析表明，在材料因素、环境因素和应力因素的共同作用下，泥浆泵冷缸发生应力腐蚀开裂，裂纹起源于应力集中的焊接缺陷部位，沿着流道扩展。最后，针对造成泥浆泵冷缸应力腐蚀开裂的三方面因素，从材料热处理、介质净化、冷缸结构优化等方面提出避免或减少冷缸发生应力腐蚀开裂的建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 选题背景  10-11
  1.2 相关研究现状及技术理论  11-16
    1.2.1 钻井泥浆泵的发展概述及失效研究  11-12
    1.2.2 失效分析理论及技术  12-16
  1.3 研究目的及意义  16-17
  1.4 研究内容及技术路线  17-20
第二章钻井泥浆泵冷缸损伤的基本理论  20-32
  2.1 点腐蚀  20-23
    2.1.1 点腐蚀的特征与形貌  20-21
    2.1.2 点腐蚀的机理  21-22
    2.1.3 点腐蚀的影响因素  22-23
  2.2 电偶腐蚀  23-25
    2.2.1 电偶腐蚀现象  23-24
    2.2.2 金属电偶腐蚀的倾向性  24
    2.2.3 电偶腐蚀的影响因素  24-25
  2.3 应力腐蚀开裂  25-31
    2.3.1 应力腐蚀现象及特征  25-27
    2.3.2 应力腐蚀机理  27-29
    2.3.3 应力腐蚀的影响因素  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章钻井泥浆泵冷缸的理化检验分析  32-60
  3.1 失效冷缸的基本情况  32-33
  3.2 理化检验标准和设备  33-34
    3.2.1 试验标准  33-34
    3.2.2 试验设备  34
  3.3 损伤表面形貌分析  34-44
    3.3.1 宏观形貌分析  34-38
    3.3.2 微观形貌及能谱分析  38-44
  3.4 化学成分分析  44-45
  3.5 力学性能检验  45-50
    3.5.1 常温拉伸试验  45-48
    3.5.2 常温冲击试验  48-49
    3.5.3 硬度试验  49-50
  3.6 金相组织分析  50-57
  3.7 泥浆分析  57
  3.8 本章小结  57-60
第四章基于 ANSYS 的模拟分析  60-71
  4.1 ANSYS 结构线性分析的理论简介  60-61
    4.1.1 线性问题定义  60
    4.1.2 屈服准则  60-61
  4.2 有限元模型的建立  61-65
    4.2.1 单元选取  61-63
    4.2.2 实体模型的建立  63-65
    4.2.3 网格划分  65
  4.3 有限元模拟计算与分析  65-69
    4.3.1 冷缸工作应力分布规律  65-68
    4.3.2 冷缸流道残余应力分析  68-69
  4.4 本章小结  69-71
结论、建议及展望  71-73
  结论  71
  建议  71-72
  展望  72-73
参考文献  73-78
攻读硕士学位期间取得的研究成果  78-79
致谢  79-80
附件  80

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