CN106248325A - 一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及检测设备 - Google Patents

一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及检测设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及检测设备。所述检测方法包括以下步骤：1）以典型部件为检测对象改装现有实验机，设计保证液态工况模拟的机构，对设计机构进行强度校核及结构优化；2）以影响部件的磨损因素为依据设计磨损实验并阐明磨损原因；3）根据磨损原因提出解决方案。所述检测设备由液态环境检测机构和旋转检测台组成，所述旋转检测台是现有设备；所述液态环境检测机构是新设计的设备，包括上盖、套筒及工作台；所述检测机构通过所述工作台连接于所述旋转检测台上。通过使用所述方法及设备，可以有效地实现液态环境磨损检测、分析磨损机理和影响因素并制定针对性的解决办法，降低特种钻探部件失效几率。

Description

一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及检测设备
技术领域
本发明属于地质勘探设备技术领域，具体涉及一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及检测设备。
背景技术
特种钻探是指在砂浆或钻井液等液态介质中实施的特种地质钻探作业，如超深钻探和极地钻探等。液态介质中高速流体及硬质颗粒引发活动部件磨损失效，如螺杆马达失效。部件失效往往致使钻探任务延误数日甚至数周，以超深钻探为例，仅停钻、检修每天都将耗费数十万美元。特种钻探是直接获取目标地区地层构造和矿产分布等重要地质信息的唯一手段，遗憾的是，至今尚未有一种公认的方法来检测特种钻探部件磨损失效。
检测方法是通过部件磨损实验揭示其失效原因并提出解决方案的首选方法。现有方法只能检测干摩擦 、油膜和水膜润滑条件下部件的磨损，却无法检测沉浸在液态介质工作环境中的部件磨损状况。因此，探索适用于液态介质中特种钻探部件的磨损检测方法成为该领域的前沿课题。
检测方法是通过弄清部件失效原因来预防事故发生的首选方法。完整的检测方法应包括三个环节：检测机构设计及校核、典型部件失效验证和提出解决方案。利用检测机构进行磨损实验、分析磨损机理及影响因素是防止失效再次发生的有效手段。但很少看到相关的***报道：1）薄膜润滑检测机构如何解决不匹配问题，如液体飞溅；2）通过部件失效对象来验证检测机构；3）提出针对其失效机理的解决方案。由于检测机构及失效验证在检测方法中的作用不同，只有分别考察机构设计和磨损验证实验，才能揭示出液态介质下特种钻探部件磨损失效的真相。
因此，本工作尝试***地提出一种液态介质中特种钻探部件的磨损检测方法。以液态介质下特种钻探部件的磨损检测方法为研究对象，结合常用的球-盘摩擦磨损实验机进行机构改装；设计和优化检测机构，通过典型部件检测机构，阐明部件的磨损原因，从而提出完整的解决方案。
1.材料和方法
1.1.检测方法
本检测方法具有三位一体的特点：机构设计和优化、典型部件验证和解决方案。（1）以典型部件为检测对象改装现有实验机，对设计机构进行强度校核及结构优化；（2）以影响部件的磨损因素为依据设计磨损实验并阐明磨损原因；（3）根据磨损原因提出解决方案。
1.2.检测机构设计
以特种钻探部件螺杆马达为检测对象，设计基于MS-T3000球-盘摩擦磨损实验机的检测机构。
1.2.1磨损实验机选定
1）磨损部件：螺杆马达转子
螺杆马达是一种在钻探中易发生磨损失效的钻探活动部件。泥浆流经腔体，在腔体中形成压力差推动转子旋转，转子通过万向轴将动能传递给钻头。旋转的转子与定子间产生滑动磨损，导致转子颈部失效断裂，钻头停钻致使任务失败，甚至引发钻探事故。
常用解决方法为更换部件及颈部热处理，但存在缺点：1）更换部件无法查清磨损原因，不能避免失效再次发生；2）热处理只能一定程度上增强表面硬度，无法根本解决失效磨损。而利用检测方法进行转子磨损实验，可查清液态介质下转子失效的原因，制定出针对磨损影响因素的解决方案，预防转子失效。因此以螺杆马达为检测对象选择摩擦磨损实验机为基础进行检测机构设计。
2）球-盘摩擦磨损实验机
摩擦磨损试验机是对部件材料进行摩擦性能及耐磨强度定量评价的检测***。为设计与液态环境相匹配的检测机构，需考虑的条件为：1）液态环境中接触应力等因素引发磨损；2）转子与定子间存在滑动接触；3）转子运动形式为旋转。综上所述选择滑动磨损实验中通用的MS-T3000球-盘摩擦磨损实验机为基础进行检测机构设计，对钻探活动部件在液态介质下的磨损行为进行检测。
摩擦磨损实验机原理为：（1）运用球-盘之间摩擦原理及微机自动控制技术，通过砝码加载机构将负荷加至钢球上，作用于试样表面；（2）转子固定在检测平台上，并随平台以一定速度旋转，使球摩擦试样表面；（3）传感器获取摩擦时的摩擦力信号，经放大处理，输入计算机经A/D（analogue to-digital，模拟信号转换为数字信号）转换将摩擦力信号通过运算得到摩擦系数曲线；（4）通过分析摩擦系数曲线可得到材料的摩擦性能和耐磨强度。
1.2.2机构缺陷及改进
现行检测机构缺陷：（1）薄膜润滑检测机构与液态工况不匹配；（2）机构设计侧重于结构设计，缺乏校核及优化；（3）缺乏典型部件对机构进行功能验证。
机构设计改进：（1）设计保证液态工况模拟的机构，有效控制液态工况中如滑动速度，载荷，硬质颗粒等影响因素；（2）对设计的机构进行强度校核及结构优化，保证机构选材合理，结构高效；（3）采用螺杆马达转子磨损实验验证机构功能。
1.3校核优化
在机构设计的基础上，（1）为保证设计的机构选材合理及运行安全，进行强度校核；（2）为实现在满足强度条件下结构最优，进行结构优化。
1.3.1强度校核
采用ANSYS有限元软件进行校核及处理，主要考察工作台近地点及远地点应力及应变是否在材料强度及应变范围内。具体步骤为：（1）建立模型；（2）材料属性设置；（3）单元类型设置；（4）网格划分；（5）接触设置；（6）加载求解；（7）后处理。实验中采用螺杆马达转子所用的硬质合金材料，参照实验情况定义材料的相关属性：试片弹性模量泊松比。
1.3.2结构优化
采用零阶方法对检测机构进行结构优化。零阶方法是一种通用的优化分析方法，其通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题，再用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系来实现逼近，每次优化循环可生成一个新的数据点，可有效地处理大多数工程问题。
检测机构的结构优化问题可归纳为：在满足应力约束条件下，选择检测机构工作台的尺寸即上凸台厚度T1、中间平台厚度T2、凸台盲孔及通孔孔径Φ等作为设计变量，使实验平台总体体积最小，其数学模型为：
；
目标优化函数：
式中：为ANSYS提取单个单元体的体积/m3; 为单元体总体积和/m3。
强度约束方程为：
式中：为材料的许用应力178MPa；N为实际工作载荷/N；为折减系数；为单元体断面面积/m2。
其中为目标体积函数，为设计变量；为约束方程。
1.4.磨损验证实验
采用螺杆马达转子磨损实验对检测方法进行功能验证，实验在装有所设计检测机构的球-盘磨损实验机上进行。实验所采用的材料，条件和测试如表1所示。
2.结果和讨论
为保障液态介质下活动部件的安全运行，提出适用于液态介质下特种钻探活动部件的磨损检测方法。在完成检测机构设计，校核及优化的基础上，利用螺杆马达转子磨损实验验证检测方法，阐明转子失效机理并提出解决方案。
2.1检测机构设计
为解决现存检测机构与液态环境不匹配的问题。设计的检测机构将具备以下功能：（1）设计保障液态环境模拟的套筒、上盖结构，解决液体飞溅问题；（2）设计承载液态环境并方便装载的工作台；3）选择合适的部件连接方式，方便连接和拆卸。
2.1.1结构设计
检测机构包括上盖、套筒及工作台。其中上盖安装于套筒的顶端，套筒安装于工作台上，在上盖、套筒和工作台之间分别安装有O型橡胶密封圈。整个检测机构通过工作台连接于原旋转检测台上，其间采用橡胶密封圈连接。
在检测机构中：（1）为了安装方便和牢固，上盖通过螺纹连接安装于套筒上，套筒通过螺钉连接安装于工作台上；（2）为了防止液体飞溅，保持良好的密封性及抗干扰性，上盖和套筒之间，套筒和工作台之间安装有O型橡胶密封圈；（3）为了防止检测机构和原有旋转检测台之间发生相对滑动，其间采用联接紧固且拆装方便的橡胶密封圈连接；（4）为了方便实验人员观测，此检测机构的套筒采用可视性强的PC材料。工作台的上凸台设置有多个螺纹盲孔用于转子材料装夹。
2.1.2工作原理
检测机构工作原理是：（1）将加入实验液体的检测机构通过密封圈连接于旋转检测台上，调整砝码定位杆，使上摩擦球与下摩擦材料接触；（2）检测机构将随旋转实验台转动，可测得转子在不同的液态介质下的摩擦磨损性能；（3）实验结束后，附件检测机构可方便的从旋转实验台上取下，不会发生液体飞溅及对实验机的污染等现象。
2.2有限元校核优化
为保证检测机构具有足够的强度和最优的结构。在完成检测机构设计后，要做两件事情：（1）结合有限元静力分析方法对检测机构进行强度校核；（2）采用零阶方法对检测机构进行结构优化。
2.2.1模型建立及简化
在设计中，工作台为检测机构的受力部位，采用有限元软件对工作台进行静力学仿真分析，来验证其结构安全及稳定性。工作台校核参数如下：材料45钢，密度为7.8 g/cm3，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服强度不小于355 MPa。安全系数取2，因此许用应力[σ]为178 MPa
当根据有限元分析要求及实际受力条件对复杂的实体建立模型时，需尽可能保留受力部位，简化不受力或对受力分析影响极小部分。主要有两方面：
（1）校核工作台：45钢的工作台与PC材料的套筒通过螺钉连接，在实验时，加载在工作台上的载荷，对套筒和上盖的影响极其小甚至可以忽略不计。因此对检测机构的有限元结构分析可以简化为仅对工作台的分析。
（2）载荷作用在工作台：在实验时，载荷加载在通过夹具固定在工作台上的试件上。但考虑其试件一般为薄片材料，在有限元分析时可以忽略试件和工作台间的载荷传递。因此可将两者看成一个整体。所以载荷可以假设为直接作用在工作台上。
2.2.2划分仿真网格
实体单元工作台网格划分形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。网格数量影响计算结果的精度和计算规模的大小，网格分布的疏密影响计算分析的准确性。因此，结合工作台的实际受力状况，保持网格数量适度且在工作台不同部位采用疏密不同的划分形式以保证计算结果的精度和计算效率。采用有限元软件提供的Solid 95单元进行四面体网格划分。
2.2.3边界条件及校核结果
工作台的边界条件分析：在磨损实验中，对磨球作用于夹装在工作台的试样上。根据上述分析，对磨球可假设为直接作用在工作台上，同时工作台底部固定在实验机旋转检测台上，作用点距工作台中心距离最小为10 mm，最大为25 mm，作用最大载荷为100 N。
（1）当100N的载荷作用在距离工作台中心10 mm时，产生的最大应变约为4.8e-4，工作台很小的形变在材料的安全范围内；产生的最大应力约为59 MPa，远小于材料的许用应力178 MPa，在材料安全范围内。
（2）当100 N的载荷作用在距离工作台中心25 mm处时，产生的最大应变约为8.7e-4，应变很小，在材料的安全范围内；产生的最大应力约为111 MPa，小于材料的许用应力178MPa，在材料的安全范围内。
综上所述，通过对比分析可知，远距离节点处应力及应变约为近距离节点处两倍。由于这两点分别代表了应力的最大及最小值，所以其他节点处的应力应变也在这个区间内。因此，工作台是在一个安全范围内运行。故采用45钢加工的工作台满足设计要求，保证了检测机构运行的安全性及稳定性。
由工作台静力学仿真分析可知，设计的工作台能够满足工作强度和使用要求。但存在的问题是，如何在此基础上使得工作台结构最优。为此，利用有限元软件的APDL语言及优化设计模块对其体积进行优化设计，优化目的是在满足工作台强度要求的前提下，使得结构最优，体积最小。
2.2.4结构优化设计
检测机构优化可归纳为：在满足应力约束条件下，选择检测机构工作台的尺寸即上凸台厚度、中间平台厚度、凸台盲孔及通孔孔径等作为设计变量，使实验平台总体体积最小，其数学模型为：；
目标优化函数：
式中：为ANSYS提取单个单元体的体积/m3;为单元体总体积和/m3。
强度约束方程为：
式中：为材料的许用应力178MPa；N为实际工作载荷/N；为折减系数；为单元体断面面积/m2。
其中为目标体积函数，为设计变量；为约束方程。
机构优化中可选取工作台的几何尺寸作为设计变量，如工作台的上凸台厚度、中间平台厚度、底部圆环的厚度、工作台盲孔及通孔孔径等，但选取太多的设计变量会使得收敛于局部最小值的可能性增加，在处理高度非线性问题时甚至引起不收敛。
因此在本模型中，考虑到对体积影响的大小，选取工作台的上凸台厚度T1、中间平台厚度T2、工作台上的盲孔及通孔的孔径Φ作为设计变量。设计变量将定义在一个合理范围内，范围过大并不能表示好的设计空间，而范围过小可能排除了好的设计。因此，变量初始值设定为上凸台厚度T1=3mm，变化范围±1.5mm；中间平台厚度T2=6 mm，变化范围±2mm；盲孔及通孔孔径Φ=5mm，由于螺孔为标准值，所以变化直径Φ取3.5mm、4mm、4.5mm、6mm、7mm几个值。状态变量通常是控制设计变量的因变量参数，需要选择足够的状态变量来约束设计。在工作台模型中，主要考虑满足工作台的强度条件，因此提取工作台的最大应力作为状态变量，最大应力在距离上凸台中心25mm处，最大值约为111 MPa，提取最大等效应力σ并设定为状态变量。工作台优化设计的最终目的是在满足给定的条件下使得其重量达到最小，对于密度均匀的工作台，即要使工作台体积达到最小，因此提取工作台的总体积V并设定为目标函数。
在优化分析过程中，采用APDL参数化语言编写相应的有限元优化设计子程序，调用程序即可完成工作台的有限元优化分析。
2.3检测方法磨损验证实验
对比转子材料在干摩擦、水及泥浆环境下实验的原因在于：（1）找到液态介质下转子的磨损特征，探讨其液态介质下磨损机理。（2）对比转子材料在干摩擦及液态介质下的磨损机理，鉴别磨损影响因素。
2.3.1磨损因素分析
摩擦磨损指发生在两个相互运动的接触面间，由输入的因素按照物理及化学规律引发接触面几何形状及组分变化的过程。螺杆马达转子磨损失效输入的因素主要为环境介质、接触材料物理特性及载荷。具体为：滑动速度、接触应力、硬质颗粒、表面粗糙度、表面膜以及电解质溶液。
2.3.2转子的磨损实验结果
（A）摩擦系数分析
干摩擦：在初始阶段，定子和转子接触，导致表面破损，磨屑产生，表现为摩擦系数逐步增大。啮合阶段，转子表面受定子表面硬质金属微峰的切割，出现划痕，表现为粗糙度增大，磨屑逐渐积累，摩擦系数迅速增加。稳定磨损阶段，转子表面磨损速率趋于稳定，表现为趋于稳定的表面粗糙度及摩擦系数。
水润滑：接触面间形成薄的润滑膜减小了微凸体的摩擦接触。水带走摩擦热及磨屑，接触面较干摩擦更为平整，因此粗糙度及摩擦系数值与干摩擦相比均较小。但仍然有一些磨掉的颗粒与微凸体接触，导致摩擦系数曲线产生一定的波动。
泥浆润滑：转子和定子之间存在一层较厚的润滑膜，极大减小了二者表面微凸体接触，表面粗糙度及摩擦系数明显下降。但因液态介质中颗粒的存在，使得转子与硬质颗粒接触，粗糙度及摩擦系数周期性上下波动。
当载荷为15 N时，转子在在干摩擦、水润滑、泥浆润滑下的平均摩擦系数分别为：0.28、0.17、0.13。转子在三种工况下的粗糙度分别为：26.58 nm、18.92 nm、13.86 nm。
（B）磨损率分析
转子在干摩擦、水及泥浆条件下对应的磨损率依次为3.3×10-7 mm3/ N・m、1.5×10-7mm3/ N・m、1.2×10-7 mm3/N・m。
（1）在干摩擦条件下：A）转子、定子表面微凸体直接接触发生基体塑性变形；B）微凸体间相互切割，磨掉的硬质颗粒对基体产生二次切割；C）摩擦热加速表面氧化破损。结果，相较于水及泥浆润滑，干摩擦下磨损率最大。
（2）水润滑和泥浆润滑下：A）接触面间存在润滑膜，减少了定子及转子表面微凸体的直接接触；B）液体冲走磨掉的硬质颗粒，避免二次磨损。
所以水润滑和泥浆润滑下转子的磨损率明显小于干摩擦。又因为在一定范围内润滑膜的厚度与溶液的离子浓度成正比，因此泥浆下的膜厚要大于水润滑，表面微凸体及硬质颗粒在膜内接触的几率要小于水润滑，所以泥浆环境下的磨损率小于水润滑。
2.3.3磨损机理模型
由于转子失效为多因素多模式多形式的复合型失效。为构建转子失效机理，阐明失效原因，制定步骤如下：（1）分析磨损影响因素；（2）根据磨损形貌，确定失效类型；（3）依据摩擦系数、表面粗糙度、磨损率、表面形貌变化构建磨损机理。
A）干摩擦：
在干摩擦条件下，转子表面出现的犁沟属于典型的磨粒磨损，同时存在的孔洞、裂纹，属于疲劳磨损。磨损机理是：转子表面磨损共分为四个阶段。（1）接触：转子与定子表面接触，此时摩擦系数为0.18，随着滑动速度、接触应力及接触面积逐渐增大，转子表面氧化膜破裂，表面粗糙度及摩擦系数逐渐增大；（2）塑性变形：在定子所施加的正应力和水平切应力及摩擦热作用下，转子表面挤压变形，钴被挤出表面，部分WC颗粒裸露出来，摩擦系数曲线持续上升，增大至0.3左右，转子表面粗糙度增大为28nm；（3）形成犁沟：在接触应力作用下裸露出的WC颗粒和被挤出的钴逐渐脱落成磨屑，同时脱落的WC颗粒划伤转子表面形成孔洞及犁沟；（4）裂纹产生：随着转子旋转，磨屑被逐渐磨掉，新鲜接触面裸露出来，犁沟在循环应力作用下成为裂纹源，随着时间推移裂纹产生并合并为宏观裂纹，磨损进一步加剧。在干摩擦过程中，转子的失效磨损为磨粒磨损和疲劳磨损，并且以磨粒磨损为主。
B）水润滑：
在水环境条件下，转子表面存在较多长短不一的裂纹及较密集的孔洞。磨损机理是：转子表面失效磨损共分为五个阶段。（1）接触：转子与定子相接触，摩擦热被水流带走，无金属黏着作用，摩擦系数在0.16左右；（2）形成转移膜：转子表面在水介质下发生反应，形成极薄的、低剪切强度的转移膜，从而减少了与定子表面的直接接触；（3）塑性变形：水的冲刷作用使转移膜不能稳定存在，同时转子表面微凸体接触，摩擦系数增大；在正应力和切应力的作用下，转子表面发生塑性变形，黏结相 Co被从WC晶粒间挤出；（4）裂纹产生：WC晶粒间Co被挤出，产生晶间裂纹，硬质合金的表面完整性受到破坏，骨架不稳定，在正应力及切应力的作用下裂纹扩大，逐渐汇聚为宏观裂纹；（5）电化学腐蚀：水进入到裂纹中带走磨屑，使新鲜表面裸露，同时水中溶解Cl-等离子，在裸露表面形成局部原电池，发生转子基体电化学腐蚀，形成凹坑及裂纹。因此转子在水润滑条件下的磨损主要以疲劳磨损为主，伴随着微电化学腐蚀磨损。
C）泥浆润滑：
在泥浆润滑条件下，界面存在一些直径较小，深度较大的凹坑，同时界面较为平整。磨损机理是：转子表面磨损共分为五个阶段。（1）形成润滑膜：泥浆中有润滑剂的存在，同时浓度较大，在转子与定子间形成润滑厚膜，其厚度大于转子和定子表面的微观不平度，极大减少二者表面微凸体接触，因此，表面粗糙度小于干摩擦，摩擦系数在0.13左右；（2）塑性变形：泥浆中带有一些硬质颗粒，与转子及定子接触并发生磨损，导致表面不平度增大，结果在润滑膜中发生少量微凸体接触，导致转子表面局部塑性变形，钴被挤出；（3）形成凹坑：钴被挤出后形成微观凹坑，同时无粘结剂的WC颗粒在接触应力作用下破碎脱落，局部凹坑汇聚成宏观凹坑；（4）严重磨损：WC颗粒及钴组成的磨屑分散于泥浆中，使凹坑中的新鲜表面周而复始的发生磨损，凹坑扩大；（5）电化学腐蚀：由于泥浆中的大量电解质及凹坑提供较大的接触面，使得转子基体上原电池的数量及腐蚀速度明显大于水介质，导致WC溶解加快，凹坑深度大于水润滑条件下。在泥浆中，螺杆马达转子以电化学腐蚀为主同时存在少量的磨粒磨损。
2.3.4磨损解决方案
经检测后得出：（1）液态介质下螺杆马达失效的机理为定子与转子接触面间的磨粒磨损、疲劳磨损以及电化学腐蚀磨损；（2）具体磨损影响因素为滑动速度、接触应力、硬质颗粒以及电解质腐蚀。因此以具体影响因素为依据，设计针对不同磨损机理的解决方案。
A：磨粒磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为擦伤，划伤，犁沟及凹坑；影响磨损因素为环境液体中硬质颗粒数量及尺寸，硬质合金的表面硬度及接触应力。
解决措施为：（1）泥浆泵加装过滤网或离心装置对循环液态介质进行颗粒过滤；（2）采用硬度较高粘结剂较少的硬质合金；（3）针对材料许用应力制定工艺流程：合理安排加速，控制井斜度，防止较大应力突变，减小材料偏磨。
B：疲劳磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为点蚀，裂纹及剥层。影响磨损因素为循环应力，表面粗糙度，材料缺陷。
解决措施为：（1）对转子进行退火处理，减少转子本身的空穴、裂纹缺陷；（2）机械加工转子后，对转子表面进行抛光，降低表面粗糙度，防止裂纹萌生（3）在钻井过程中防止速度及井斜角突变导致局部应力过大，裂纹扩展加速。
C：电化学腐蚀磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为深度较大的凹坑。影响磨损因素为材料化学组成，腐蚀介质，载荷及泥浆冲蚀速度。
解决措施为：（1）更换比WC-Co硬质合金钝化速度快，腐蚀速度低的WC-Ni-Mo；（2）在转子表面热喷涂金属陶瓷，如Ti（C，N）基金属陶瓷粉末，提高基体的耐腐蚀性。
发明内容
为有效地查清液态介质下特种钻探部件失效原因，预防事故发生，本发明提供一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法及设备。通过使用所述方法及设备，可以有效地实现液态环境磨损检测、分析磨损机理和影响因素并制定针对性的解决办法，降低特种钻探部件失效几率。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，所述方法包括以下步骤：（1）以典型部件为检测对象改装现有实验机，设计保证液态工况模拟的机构，对设计机构进行强度校核及结构优化；（2）以影响部件的磨损因素为依据设计磨损实验并阐明磨损原因；（3）根据磨损原因提出解决方案。
优选地，所述步骤1）中的现有实验机是指球-盘摩擦磨损实验机。
所述步骤1）中的强度校核采用有限元静力分析方法进行校核及处理，主要考察工作台近地点及远地点应力及应变是否在材料强度及应变范围内。
所述有限元静力分析方法的具体步骤为：（1）建立模型；（2）材料属性设置；（3）单元类型设置；（4）网格划分；（5）接触设置；（6）加载求解；（7）后处理。
所述步骤1）中采用零阶方法对检测机构进行结构优化。
一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备，由液态环境检测机构和旋转检测台组成，所述旋转检测台是现有设备；所述液态环境检测机构是新设计的设备，包括上盖、套筒及工作台。所述上盖安装于所述套筒的顶端，所述套筒安装于所述工作台上，在所述上盖、套筒和工作台之间分别安装有O型橡胶密封圈。所述检测机构通过所述工作台连接于所述旋转检测台上，所述工作台与所述旋转检测台之间采用橡胶密封圈连接。
所述上盖通过螺纹连接安装于所述套筒上，所述套筒通过螺钉连接安装于所述工作台上；所述上盖和所述套筒之间安装有O型橡胶密封圈，所述套筒和所述工作台之间安装有O型橡胶密封圈；所述检测机构和所述旋转检测台之间采用橡胶密封圈连接；所述套筒采用可视性强的PC材料；所述工作台包含有上凸台，所述上凸台设置有螺纹盲孔。
本发明的优点和有益效果为：
1）***的提出了一种液态介质中特种钻探部件的磨损检测方法，包括机构设计和优化、典型部件验证和解决方案，所述方法填补了本技术领域的空白；
2）所述检测机构安装简单方便，实验可视性及抗干扰力强，能有效地实现液态环境磨损检测；
2）所述检测机构的结构满足强度要求同时体积最小，降低材料消耗，延长实验机寿命；
3）液态介质下螺杆马达转子磨损实验验证了所述检测方法功能可用，转子在液态介质下磨损为磨粒磨损，腐蚀磨损及疲劳磨损；
4）所述检测方法已成功的应用于螺杆马达，并且提出的针对性抗磨损解决方案能够解决螺杆马达的磨损失效，延长寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备结构图。
图中，1是上盖，2是套筒，3是工作台，4是O型橡胶密封圈，5是检测机构的俯视图，6是检测机构的正视图，7是检测机构的侧俯视图。
具体实施方式
实施例
一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，所述方法包括以下步骤：（1）以特种钻探部件螺杆马达为例，设计基于MS-T3000球-盘摩擦磨损实验机的液态工况模拟检测机构，对设计机构进行强度校核及结构优化；（2）以影响部件的磨损因素为依据设计磨损实验并阐明磨损原因；（3）根据磨损原因提出解决方案。
所述步骤1）中的强度校核采用ANSYS有限元软件进行校核及处理，主要考察工作台近地点及远地点应力及应变是否在材料强度及应变范围内。具体步骤为：（1）建立模型；（2）材料属性设置；（3）单元类型设置；（4）网格划分；（5）接触设置；（6）加载求解；（7）后处理。
实验中采用螺杆马达转子所用的硬质合金材料，参照实验情况定义材料的相关属性：材料45钢，密度为7.8 g/cm3，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服强度不小于355 MPa。安全系数取2，因此许用应力[σ]为178 Mpa。采用有限元软件提供的Solid 95单元进行四面体网格划分。工作台的边界条件是作用点距工作台中心距离最小为10 mm，最大为25 mm，作用最大载荷为100 N。
校核结果是：（1）当100N的载荷作用在距离工作台中心10 mm时，产生的最大应变约为4.8e-4，工作台很小的形变在材料的安全范围内。工作台最大应力约为59 MPa，远小于材料的许用应力178 MPa，在材料安全范围内。（2）当100 N的载荷作用在距离工作台中心25mm处时，应变最大量为8.7e-4，应变很小，在材料的安全范围内。最大应力约为111 MPa，小于材料的许用应力178 MPa，在材料的安全范围内。所以采用45钢加工的工作台满足设计要求，保证了检测机构运行的安全性及稳定性。
利用有限元软件的APDL语言及优化设计模块对工作台的体积进行优化设计，优化目的为在满足工作台强度要求的前提下，使得结构最优，体积最小。
选取工作台的上凸台厚度T1、中间平台厚度T2、工作台上的盲孔及通孔的孔径Φ作为设计变量。变量初始值设定为上凸台厚度T1=3 mm ，变化范围±1.5 mm；中间平台厚度T2=6 mm，变化范围±2 mm；盲孔及通孔孔径Φ=5 mm，由于螺孔为标准值，所以变化直径Φ取3.5 mm、4 mm、4.5 mm、6 mm、7 mm几个值。提取工作台的最大等效应力σ并设定为状态变量。提取工作台的总体积V并设定为目标函数。
最终优化结果为盲孔及通孔孔径选取5 mm，上凸台厚度T1=2.3420 mm，中间平台厚度T2=4.5706 mm，此时工作台体积与优化前相比减少了约23%，实现了工作台优化设计的目的。
在所述步骤2）中以螺杆马达转子为检测部件进行磨损实验，并在干摩擦、水及泥浆环境下对转子材料实施对比实验。
实验结果为：当载荷为15 N时，转子在在干摩擦、水润滑、泥浆润滑下的平均摩擦系数分别为：0.28、0.17、0.13。转子在三种工况下的粗糙度分别为：26.58 nm、18.92 nm、13.86 nm。转子在干摩擦、水及泥浆条件下的磨损率依次为3.3×10-7 mm3/ N・m、1.5×10-7mm3/ N・m、1.2×10-7 mm3/N・m。
经检测后得出结论：（1）液态介质下螺杆马达失效的机理为定子与转子接触面间的磨粒磨损、疲劳磨损以及电化学腐蚀磨损；（2）具体磨损影响因素为滑动速度、接触应力、硬质颗粒以及电解质腐蚀。
以具体影响因素为依据针对不同磨损机理，设计解决方案如下：
A：磨粒磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为擦伤、划伤、犁沟及凹坑；影响磨损因素为环境液体中硬质颗粒数量及尺寸，硬质合金的表面硬度及接触应力。
解决措施为：（1）泥浆泵加装过滤网或离心装置对循环液态介质进行颗粒过滤；（2）采用硬度较高粘结剂较少的硬质合金；（3）针对材料许用应力制定工艺流程： 合理安排加速，控制井斜度，防止较大应力突变，减小材料偏磨。
B：疲劳磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为点蚀、裂纹及剥层。影响磨损因素为循环应力、表面粗糙度和材料缺陷。
解决措施为： （1）对转子进行退火处理，减少转子本身的空穴、裂纹缺陷；（2）机械加工转子后，对转子表面进行抛光，降低表面粗糙度，防止裂纹萌生；（3）在钻井过程中防止速度及井斜角突变导致局部应力过大，裂纹扩展加速。
C：电化学腐蚀磨损：经检测方法测试后的表面损坏形式为深度较大的凹坑。影响磨损因素为材料化学组成、腐蚀介质、载荷及泥浆冲蚀速度。
解决措施为：（1）更换比WC-Co硬质合金钝化速度快、腐蚀速度低的WC-Ni-Mo；（2）在转子表面热喷涂金属陶瓷，如Ti（C，N）基金属陶瓷粉末，提高基体的耐腐蚀性。
参见附图1，一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备，由液态环境检测机构和旋转检测台组成，所述旋转检测台是现有设备MS-T3000球-盘摩擦磨损实验机；所述液态环境检测机构是新设计的设备，包括上盖（1）、套筒（2）及工作台（3）。所述上盖（1）安装于所述套筒（2）的顶端，所述套筒（2）安装于所述工作台（3）上，在所述上盖（1）、套筒（2）和工作台（3）之间分别安装有O型橡胶密封圈（4）。所述检测机构通过所述工作台（3）连接于所述旋转检测台上，所述工作台（3）与所述旋转检测台之间采用橡胶密封圈（4）连接。
所述上盖（1）通过螺纹连接安装于所述套筒（2）上，所述套筒（2）通过螺钉连接安装于所述工作台（3）上；所述上盖（1）和所述套筒（2）之间安装有O型橡胶密封圈（4），所述套筒（2）和所述工作台（3）之间安装有O型橡胶密封圈（4）；所述检测机构和所述旋转检测台之间采用橡胶密封圈（4）连接；所述套筒（2）采用可视性强的PC材料；所述工作台（3）包含有上凸台，所述上凸台设置有螺纹盲孔。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：1）以典型部件为检测对象改装现有实验机，设计保证液态工况模拟的机构，对设计机构进行强度校核及结构优化；2）以影响部件的磨损因素为依据设计磨损实验并阐明磨损原因；3）根据磨损原因提出解决方案。
2.如权利要求1所述的一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，其特征在于：优选地，所述步骤1）中的现有实验机是指球-盘摩擦磨损实验机。
3.如权利要求1所述的一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，其特征在于：所述步骤1）中的强度校核采用有限元静力分析方法进行校核及处理，主要考察工作台近地点及远地点应力及应变是否在材料强度及应变范围内。
4.如权利要求1所述的一种液态介质下特种钻探部件磨损检测方法，其特征在于：所述步骤1）中采用零阶方法对检测机构进行结构优化。
5.一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备，其特征在于：所述检测设备由液态环境检测机构和旋转检测台组成，所述旋转检测台是现有设备；所述液态环境检测机构是新设计的设备，包括上盖、套筒及工作台；所述上盖安装于所述套筒的顶端，所述套筒安装于所述工作台上，在所述上盖、套筒和工作台之间分别安装有O型橡胶密封圈；所述检测机构通过所述工作台连接于所述旋转检测台上，所述工作台与所述旋转检测台之间采用橡胶密封圈连接。
6.如权利要求5所述的一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备，其特征在于：所述上盖通过螺纹连接安装于所述套筒上，所述套筒通过螺钉连接安装于所述工作台上。
7.如权利要求5所述的一种液态介质下特种钻探部件磨损检测设备，其特征在于：所述套筒采用可视性强的PC材料；所述工作台包含有上凸台，所述上凸台设置有螺纹盲孔。
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