新一代高能泵用材料

来源:国际泵阀技术商情

发布时间:2020年3月16日下午 03:03:01

注水泵应用于海上油气资源开采。这些泵的工作压力随储层深度的增加而增高,其叶轮必须承受1000巴(100兆帕)的压力和60000次/分钟的负载循环。为了提高泵的可靠性,苏尔寿的材料和加工专家一直在研究哪些材料和工艺技术最适合于未来的使用。  
注水泵应用于海上油气资源开采。这些泵的工作压力随储层深度的增加而增高,其叶轮必须承受1000巴(100兆帕)的压力和60000次/分钟的负载循环。为了提高泵的可靠性,苏尔寿的材料和加工专家一直在研究哪些材料和工艺技术最适合于未来的使用。
 
泵之间存在无形的差异,但它们会影响泵的长期可用性。泵叶轮或泵壳材料对其抗应力或耐腐蚀性能有很大影响。每天,新开发的材料都可用于增材制造工艺,并允许制造商采用新的生产方式。
 
很快,工艺技术和材料的智能应用将成为是否能为市场提供有竞争力产品的关键之一。最好的材料并非唯一的决定因素,最合适的材料和工艺才是。在某些情况下,交付时间最重要,因而更快捷的生产工艺将会获胜。对于腐蚀性或侵蚀性泵液,通过涂层改善材料性能,或提高对化学品的耐受性则有助于产品在评估中胜出。
 
 
对注水泵的要求日益提高
 
对近海油气储层的油气勘探和开采,迫使油气工业不断推升其极限。越来越多的注水泵被应用于深水或超深水域。油气资源埋藏越深,泵送流体的温度就越高,这是一种地热效应。而且,泵的运行深度越深,注入水中的腐蚀性物质就越多。
 
20世纪70年代初,注水泵的排放压力约为350巴(35兆帕)。2001年,苏尔寿在墨西哥湾安装了四台HPcp泵,创造了世界纪录。这些泵在605巴(61兆帕)的排放压力下运行。苏尔寿在2009年启动了一项概念研究,目的是开发一种工作压力为800巴(80兆帕)的喷油泵。客户对该项目的反馈提高了开发基准的设置,于是苏尔寿开发了一种提供1000巴(100兆帕)工作压力的泵(图1)。
 
图1:1970年以后注水泵排放压力的变化。
 
如此高的压力是怎样达到的呢?部分是通过增加泵的级数,但主要还是通过确定更高的单级压头。这些变化增加了泵用材料的机械应力。高压泵通常采用超双相不锈钢作为泵体材料。但在1000巴(100兆帕)的压力下,已达到其机械性能极限。
 
除了智能工程解决方案外,后续的泵开发还需具备更高的强度、同时具有同等甚至更高耐腐蚀性能的更高性能材料。然而,这些材料并不容易找到,因为材料强度和耐腐蚀性通常是相互对立的。
 
挑战之一是寻找合适的叶轮材料,因为这些部件不能像泵壳一样在带耐腐蚀、耐磨不锈钢覆层的高强度低合金钢中工作。除了强度和耐腐蚀性之外,叶轮材料的抗疲劳性也是成功的关键,因为这些部件现在已处于极高的负载循环中。
 
泵的负载循环
 
在普通的导叶式泵中,每个叶轮叶片每转大约经过10个导叶片,每次都会在叶轮上产生一个压力峰值,从而导致部件产生小的弹性变形(图2)。以下为叶轮变形模拟:
 
图2:通过有限元分析模拟叶轮在局部负荷条件下产生的变形
 
如果泵以6000转/分的转速旋转,叶轮每分钟将承受60000次负载循环。以下仅为部分比较值:心脏平均每分钟跳动90次,汽车发动机每分钟转动3000圈。而对于泵,一年(即525600分钟)可连续运行315亿(3.15x1010)次循环。
 
所需新材料
 
为了满足高能泵的需求,苏尔寿一直着眼于未来,对新材料和工艺技术进行评估和测试。苏尔寿意识到泵材料至关重要,因此在其泵核心技术材料部门雇佣了一支由18名材料专家组成的专门团队。
 
Thomas Kränzler指出:“为下一代注水泵寻找新的潜在叶轮材料是一项挑战。提高机械性能和耐腐蚀性能往往会影响制造方法或不成比例地增加生产成本。因此,我们的评估工作并不只局限于材料专家,还与制造专家密切合作,以选择和鉴定新材料。”
 
材料选择
 
对现代材料的选择是客观的,反映在叶轮材料量化选择上的一个事实,是必须比铸造超双相不锈钢更坚固且具备一定的耐腐蚀性能。在数据库中量化这两个关键材料特性变得较为容易,但也存在局限性。强度与抗疲劳裂纹萌生密切相关。然而,之所以需要相关性,是因为锻造版本的数据比铸造版本的数据多。材料工程师使用抗点蚀当量数(PREN=Cr+3.3Mo+16N)来估算和判断材料的抗点蚀性能。PREN是由关键化学元素的重量百分比线性组合而成的指数。然而,在图中可以清楚地看到,在所有数据库材料中都使用这两个主要属性进行性能优化。图3中的圆圈表示特定材料的特性范围,超双相突出显示为1号。气泡位置显示相对性能,沿对角线给出相等值,该图中右上方显示最佳性能。最具潜力的材料是一种特殊的镍基合金(2号)。因此,量化材料选择表明,只有有限数量的合金具有比超双相不锈钢更高的性能,仅有一种最具希望,即镍基合金。
 
图3:强度-耐腐蚀性能选择图表
 
工艺选择
 
对材料工艺的选择是定性的,比材料选择要简单。锻造或加工材料以相对较高的机械性能而著称,但只要出现一个问题,这些材料就会立即不合格。由于缺乏加工闭式叶轮复杂型腔的工具,因此不再考虑锻造材料。同样,多个锻造件的连接也会带来抗疲劳性能上的严重风险。最合适的其余现代和传统工艺优缺点并存。表中(图4)总结了这些工艺的优缺点。请注意,利用激光熔合的3D打印本质上是由多个微型铸件构建出部件,其结果会不可避免地产生凝固的不连续性和残余应力。因此,真空熔模铸造因其有效性和成本优势而受到青睐,是一种行之有效的沉淀硬化镍基高温合金生产工艺。
 
图4:不同叶轮生产工艺的比较
 
真空熔模铸造
 
真空熔模铸造是一种三维复制工艺,在生产金属叶轮之前需要经过几个步骤。首先,在低熔点塑料上3D打印出叶轮的牺牲性样板或复制品,然后在该图案上涂覆多层陶瓷浆料。将带涂层的样板放入炉中,塑料被融掉,而陶瓷浆料则会形成坚硬但易碎的空模具或容器。这个容器也是牺牲性的,供熔融金属在其中凝固或熔铸。接着,熔融的活性金属在真空下被倒入温热的陶瓷模具中,以避免污染。最后,金属在其内部凝固,敲碎易碎的陶瓷模具,即可得到铸造叶轮。以上熔模铸造的基本原理有着古老的渊源。考古学家声称,蜂蜡样板和粘土模具的使用已有数千年的历史。目前的真空熔模铸造工艺是抗污染的,甚至还吸收了现代方法,如3D打印塑料样板。
 
热处理与可靠性
 
热处理解决了材料强度统计分布中的两个具体因素,从而提高了外加应力分布的可靠性。请注意,强度与应力的分散或分布有自然顺序,并非单一的值。如图5所示,热等静压影响疲劳强度的分散。
 
应用热等静压(HIP)后,分散疲劳强度的范围收窄,从而提高了可靠性(见图5)。HIP就像一个大型压力锅,在接近金属熔点的1200℃温度下工作,并持续至少三个小时。在HIP过程中,利用惰性氩建立起1000巴(100兆帕)的压力,封闭内部铸件空隙,否则会降低耐疲劳开裂性能。这一极高的压力接近地球海洋已知最深的马里亚纳海沟(大约低于海平面11公里/6.8英里)的压力。
 
图5:热等静压(HIP)的优缺点
 
第二种热处理工艺是通过提高平均疲劳强度来提高可靠性。由于深部油田平均外加应力的不断提高,通过真空固溶退火和沉淀硬化提高材料的平均强度,可降低其失效的可能性(见图6),同时还增加了控制强度分布的措施。在整个过程中持续对内部或残余材料应力进行管理,可减少强度变化。由于该合金可缓慢冷却,苏尔寿采用可控惰性气体冷却而不是淬火。因此,热等静压和控制沉淀硬化可使材料强度分布范围更窄,平均值更高,从而提高其可靠性。
 
图6:通过沉淀硬化(PH)使材料强度得到的平均增长
 
检查与测试
 
对新工艺和新产品的检验是保持其可靠性的必要条件,因为没有哪种生产工艺能生产出毫无缺陷的部件。其目的是限制或防止由错误导致的缺陷。
 
在无损检测中,原型叶轮铸件显示出良好的结果。对表面进行目测、计量、内视镜和荧光液体渗透检查,以检测是否存在裂纹和不连续性。铸件的复杂形态要求内部检测,使用超声波只能检测叶轮内部的可接近区域。X射线计算机断层扫描很像人体扫描,它补充了内部超声波检测。图7为一个可接受的X射线计算机断层扫描截面的示例,从中可看出热等静压后材料的致密性。
 
图7:由捷克共和国布尔诺中欧理工学院(CEITEC CTLab)完成的叶轮横截面X射线计算机断层扫描
 
可靠性的验证利用了经验和材料性能模型。叶轮可靠性的量化在很大程度上依赖于材料科学和工程、断裂力学以及统计,这是由于失效方法采用了概率物理学。为此,疲劳和断裂力学性能至关重要。高效的自适应贝叶斯统计将被应用于许多超声疲劳裂纹萌生试验的结果。超声疲劳指的是一种加速试验,特别是指使用以接近20kHz而非20Hz的循环加载频率,将应力-寿命曲线从兆周扩展到千兆周范围。请注意,钢的千兆周疲劳试验已经打破了先前关于无限寿命和疲劳极限的假设。其它试验对缺陷、损坏和环境公差进行了测试。因此,测试和可靠性物理学对泵叶轮的开发和设计至关重要。
 
材料评价展望
 
在材料选择与加工过程中,原型部件的破坏性试验是不可或缺的。只有通过破坏性试验才能确定机械和耐腐蚀性能并表征微观结构。牺牲许多有代表性的性能和一些全尺寸叶轮是评估过程的一部分。热等静压新材料和新工艺的试验结果令人鼓舞。大量无气孔或微观缩孔的金相截面证实了铸件的质量和HIP的有效性。中间拉伸试验表明,铸造超双相不锈钢的强度提高系数达到1.4。
 
目前还在进行许多进一步的测试。由于该材料目前未列入任何国际材料标准,必须对其进行全面的材料特性鉴定。除标准材料试验外,还包括上述超高周疲劳(UHCF)试验和裂纹扩展测定。另外,还会评估材料对一般和局部腐蚀的耐受性以及对环境诱发开裂的耐受性。新的统计方法有助于我们尽可能减少测试数量、缩短项目的持续时间。一旦完成所有数据的分析,并且材料测试团队的工程师确定所选材料适合预期服务,苏尔寿全球所有设计团队都会收到材料可使用的通知。这一发展有助于苏尔寿在高能注水泵领域保持领先地位,并使苏尔寿工程师在为即便是针对其它应用的新的泵产品选用材料时,也能确保材料安全。
 
 
 
 
 
 
 

作者:Thomas Kränzler,David Lukezic,瑞士温特图尔苏尔寿泵设备全球核心技术材料部门

 

 

 

 

 

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