连续管夹持块表面材料摩擦性能研究

摘 要 夹持块是连续管注入头的关键部件，直接影响着连续管的注入能力和使用寿命。通过对不同夹持块表面材料的摩擦和静-动摩擦性能的研究测试，可得到不同表面材料夹持摩擦性能的影响，从而进行夹持块表面材料的优选。

关键词 夹持块；摩擦系数；静摩擦

中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-143-1

近年来，连续管技术以其独特的优势在钻井、修井、测井和完井等各个领域得到了广泛应用，大大促进了连续管装备的发展。夹持块（Gripper）是连续管系统中的基础关键部件，直接影响着连续管的注入能力。夹持块和连续管之间的静摩擦力是连续管的唯一驱动力，夹持块在使用时要保证平稳输送连续油管，不能有输送打滑现象产生，因此优选一种静摩擦系数高、摩擦系数稳定、耐摩擦磨损性能好的材料作为夹持块的表面材料显得尤为重要。HydraRig公司、TOTAL公司等国外连续管装备厂家的夹持块通过材料分析可以判断其基材为20CrMo低合金钢，其表面进行渗碳处理、渗氮处理或喷涂涂层等几种表面处理方式，但是哪种表面材料处理方式更适用于夹持块夹持表面未见明确的结论。为了从上述几种表面材料形式中优选出一种表面材料形式，笔者分别以20CrMo、渗碳处理20CrMo、渗氮处理20CrMo、喷涂Ni基合金、喷涂WC涂层、喷涂WC涂层表面磨加工几种材料作为研究对象，评价其对连续管的夹持摩擦性能，从而对夹持块的选材提供依据。

1 试样材料

上试样：销，10×10 mm，20CrMo钢。

下试样：圆盘，Φ40（外径）×Φ10（孔径）×5 mm，试验材料分别为：20CrMo、渗碳20CrMo、渗氮20CrMo、喷涂Ni基合金、喷涂WC涂层、喷涂WC涂层表面磨加工。

2 试验方法

1）试验设备：XP型销-盘摩擦磨损试验机及其数据采集系统（见图1）。

2）试验介质：湿（水）及干摩擦。

3）试验条件：速度，0.21 m/s；载荷，1 MPa。

4）试验方法：湿（水）摩擦试验：介质采用自然水，试验前，将自然水放入已安装试样（盘）的容器中，并在给定的速度下进行试验；静-动摩擦系数测试其摩擦副由静止-启动运行之间的最大摩擦阻力系数值（以秒为取值间隔）（如图2）。

长效摩擦磨损试验数据取值于稳定运行区间（取值间隔为30 s）。

干摩擦试验：与水试验相比，干摩擦试验不采用任何介质，其余试验方法与水试验相同。

5）数据测量：磨损测量：采用称重法在数字电子天平（感量万分之一）上测量其磨损失重量。试验前，试样磨合5分钟，测量其初始磨损量；在磨损行程结束后测量其磨损终值；其差值即为其磨损失重量；每种材料重复试验二次，其磨损失重量均值为该材料的耐磨性评价指标。

摩擦系数测量：摩擦系数采用在线测量，在试验过程中自动记录材料的摩擦系数变化趋势，对于稳定摩擦系数则取其试验周期内的平均值作为摩擦系数试验结果。

静-动摩擦系数测量：静-动摩擦系数是指摩擦副在开始相对运动瞬间产生的摩擦阻力与载荷的比值。由于该值为瞬态值，因此，往往需要对其数据进行高速采集，在本试验中，采集时间段为10 s，以0.5 s时间间隔为数据采集点，并取其区间的最大值作为静-动摩擦系数进行表征。

3 试验结果

试验结果见下表。

4 试验结果分析

1）磨损匹配性评价：在所进行的试验中，销试样为一种材料20CrMo由表1可以看出：当20CrMo与20CrMo、渗N和渗C三种材料匹配时，其销与盘间的磨损失重量均值相差较小，反映出其具有较好的磨损匹配性；当20CrMo与表面未加工WC涂层匹配时，试验观察到涂层表面凸出硬微粒对20CrMo产生了微切削，导致20CrMo磨损严重，且有磨屑覆盖在WC涂层表面，反映其磨损匹配性最差；但当WC涂层表面经过磨削加工后，其销与盘间的磨损失重量均值大幅度缩小，其光滑表面消除了凸出硬微粒对20CrMo的微切削因素，试验中未观察到表面的微切削形貌，反映其磨损匹配性大幅度地被改善。

2）耐磨性评价：在以20CrMo与6种材料的匹配试验中，其耐磨性顺序为：WC（表面未加工）>WC（表面加工）>Ni基合金>渗N>渗C>20CrMo。上述耐磨性顺序反映如下现象：

①渗N、渗C与20CrMo三组材料在与20CrMo匹配时，其耐磨性较相近。

②虽然未加工表面的WC涂层耐磨性最优，但它对偶件的磨损损伤也最大；由表1可看出：偶件（20CrMo）材料的磨损非常严重，其中部分磨损产物覆盖在涂层表面（见图3），覆盖产物增加了试样的重量而使其显示出负失重；但当WC涂层表面加工后，其对偶件（20CrMo）磨损被明显改善（见表1和图4）。

3）摩擦性能评价：①稳定运行过程中的摩擦系数：按全摩擦过程中的摩擦系数均值评价，由表1可看出：除未加工表面的WC涂层与与其偶件（20CrMo）的摩擦系数较低外（在摩擦过程中，WC涂层表面微硬颗粒对20CrMo进行微切削而降低了摩擦系数），其余匹配副的摩擦系数间的差值不大，特别是已加工的WC涂层与渗N和渗C层摩擦副的摩擦系数非常接近。②静-动摩擦系数：由表1可看出，在干摩擦条件下，6种摩擦副的静-动摩擦系数顺序为：WC（表面未加工）>WC（表面加工）>Ni基合金>20CrMo>渗C>渗N；在湿（水）摩擦条件下，6种摩擦副的静-动摩擦系数顺序为：WC（表面未加工）>20CrMo >Ni>WC（表面加工）>渗N>渗C。

5 结论

1）Ni基合金、20CrMo、渗N和渗C四种材料与20CrMo组成的摩擦副，其摩擦磨损性能差别不太，特别是20CrMo、渗N和渗C三种材料与20CrMo组成的摩擦副，其摩擦磨损性能非常接近。

2）表面加工过的WC涂层动摩擦和静-动摩擦系数都优于Ni基合金、20CrMo、渗N和渗C四种材料，摩擦系数值都较稳定。

3）未加工的WC涂层虽然在滑动摩擦时对偶件的损伤比较大，但其静-动摩擦系数最高，适合用于夹持块的最大静摩擦力夹持不打滑的使用要求，可作为夹持块夹持表面材料的最佳选择。

参考文献

[1]贺会群.连续油管技术与装备发展综述[J].石油机械，2006，34.

[2]温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]朱爱强，刘佐民.材料匹配性对盘式制动器摩擦温度场的影响[J].与密封，2008，33.

作者简介

袁文才（1984-），2007年毕业于西南石油大学材料科学与工程专业，现就读于长江大学机械工程学院。