高密封压力下对柱塞往复作用

　　美国柱塞主要失效形式为表面严重腐蚀、疲劳和化合物剥落。国产柱塞表层堆焊的镍基合金，含Ni量高，晶粒细，具有较好的耐腐蚀性能，可用于酸化压裂作业；美国柱塞表层复合碳化物的含量高，晶粒粗大，硬度高，耐磨料磨损的性能高，可用于加砂压裂作业。在设计柱塞时，必须提高柱塞强化表面的耐磨和耐腐蚀性能，同时还应当考虑使用防砂结构。压裂工艺所增产的油气量在整个油气产量中所占比重越来越大。一次成功的压裂，一般可使油气井的产量增加数倍，有时高达十几倍甚至几十倍，效益十分可观。柱塞泵就是完成这种工艺的核心设备，其工作状况极其恶劣：排出压力高、压裂液中含有大量硬度极高的砂粒，且压裂液的酸度高。恶劣的工况使得柱塞、密封圈等易损件的寿命短，维修频繁，有时因橡塑制成的密封圈断裂及柱塞的磨损，泵送液体大量喷出，导致重大事故发生，严重影响正常生产。本文作者对现场使用的美国产和国产柱塞进行失效机理分析，为寻求合理的修复方法和改善加工工艺提供科学依据。经汽油清洗后观察，由肉眼可见其表面有明显的与柱塞往复运动方向一致、长短不一的擦伤痕迹，在放大镜下还可观察到一些腐蚀麻点，并有表面薄层剥落。柱塞表面失效微观分析：磨损表面的扫描电镜观察国产柱塞GC的失效形式为表面磨损擦伤、腐蚀和疲劳，其中主要的是表面磨损和疲劳；美国柱塞M C主要的失效形式为表面严重腐蚀和剥落。柱塞磨损表面有较长的磨擦条痕，球形磨屑夹在长疲劳裂纹之中，并有轻微的腐蚀坑，裂纹方向与磨擦条痕相交或近于垂直。造成失效的主要原因是压裂液含有大量石英砂等硬质相，同时还含有酸等腐蚀性介质。以上两种原因造成柱塞的磨料磨损和腐蚀破坏；同时，在压裂过程中，工作压力大，由于长期往复载荷作用，硬质相颗粒嵌入密封圈，并在高密封压力下对柱塞往复作用，造成疲劳，产生疲劳裂纹和球形屑。