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摘要：泥浆泵是石油钻机中的配套设备，其核心部件是缸套，缸套具有储存泥浆，承受泥浆压力及配合往复式活塞完成吸、排泥浆的功能。与缸套和活塞直接接触泥浆，当活塞在缸套内作往复运动时，泥浆中所含的微小固体颗粒及酸、碱钻液对缸套内表面产生磨损与腐蚀。当磨损到一定程度，缸套内径变大，影响缸套与活塞间的密封，产生泄漏泥浆现象，吸、排泥浆的功能失效，最终使缸套报废。所以缸套是一种不可回收的一次性易损零件，缸套寿命的长短将直接影响钻井成本。
关键词：磨损 中频感应加热 喷涂
1、泥浆泵缸套的磨损机理
磨损是相互接触物体在相对运动表面上，材料不断发生损耗的过程。研究磨损，就要针对不同工况条件，合理选用耐磨材料，不断开发新型耐磨材料，减磨材料。
通常按磨损的机理分有：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损。在石油钻井缸套磨损的磨损机理有磨粒磨损和粘着磨损两大类。
由于泥浆泵中的工作介质是泥浆。而泥浆则是由小的颗粒与水组成的。所以有必要讨论一下液体中的颗粒与磨损的关系。硬颗粒嵌在磨擦表面上，对相互磨损的两个表面起切削作用 (在切削过程中还会进一步产生硬颗粒)，造成磨粒磨损。这种磨粒磨损的严重程度通常与颗粒的数目及硬度成正比。磨擦面间的硬颗粒在摩擦过程中不断进行辗、划、压、挤，使表面产生局部塑性变形和原子错位，最终导致表面的疲劳磨损。
硬颗粒的辗、划、压、挤作用，还可以在表面上挤出高垄。这些高垄在以后的磨擦过程中将导致金属的直接接触以及发展为粘着磨损。
2、液体中颗粒对泥浆泵缸套的破坏形式
泥浆泵的通流物质为含有固体颗粒的两相流，其工作介质决定了泥浆泵各过流部件的破坏主要为流体磨粒磨损。根据流体中的固体颗粒与过流部件工作面的接触方式，具体可归纳为3种破坏形式。即高角度冲击磨损、小角度剥蚀、研磨破坏。
泥浆泵缸套是泥浆泵机上最常见的易损件之一。泥浆泵缸套质量性能最突出的要求就是耐高压、耐磨损、抗腐蚀，其次是配合尺寸精度较高。
泥浆泵缸套工况是非常恶劣的：一是要承受十几到三十几兆帕的压力，二是要受到介质中酸碱度的腐蚀，三是要承受介质中磨料在高压高速下的机械磨损。
泥浆泵缸套主要技术要求如下表所示：
工作压力/MPa 内表面硬度 介质条件粘度 含砂量 酸碱度 内表面粗糙度
15 ~ 35 ≥HRC56 70 ~ 80 0.5%~0.7% pH8 Ra0.4
在工作状态下，缸套内表面与活塞外表面之间嵌满砂粒，在运动过程中沙粒作为磨料，使缸套产生磨粒磨损，砂粒的硬度一般为HV600－10000。缸套的失效形式是磨损，当磨损量达0. 2－0. 3mm时，就会造成泥浆泄漏，泵压下降，导致缸套损废。
2、提高缸套耐磨性的途径以及喷涂工艺
目前提高缸套耐磨性的具体途径主要有陶瓷缸套、表面三元共渗、粉末冶金、表面喷涂、等离子喷涂等工艺。
近年来，随着喷涂技术的发展，新的工艺技术和新应用领域不断地涌现。涂层质量很大程度上依赖于喷射熔滴的速度，提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度已经成为当前国际热喷涂技术发展的新趋势，相继出现了爆炸喷涂、高速活性燃气喷涂、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、溶液等离子喷涂、高速等离子喷涂、三阴极内送粉等离子喷涂等新技术。
这些技术的共同的特点是大副度提高了喷涂粒子的飞行速度，降低了涂层孔隙率，提高了涂层的结合强度。
3、中频感应加热
可控硅技术的应用发展很快，可控硅的容量、质量均日渐提高。因此，可控硅中频电源的应用日益广泛，基本上已经取代了中频发电机。
目前流行的可控硅中频感应加热装置主要是KGPS系列，它是一种采用可控硅整流元件作为开关元件的静止变频器，可将工频三相交流电变成中频单相电流交流电源。其逆变电路一般采用串联逆变电路或者倍频逆变电路。
可控硅元件因具有良好的开关特性并能承受大的电流(几百至1000安培)和高的电压(2000～3000伏)，所以它是理想的功率元件。只需在电路上进行合理的设计，就可以把它作为频率变换的理想器件而应用于中频电源。
如图1，380 V，50 Hz三相交流电整流滤波，成为恒定的直流电源，经逆变成为单相中频交流電，再经淬火变压器输送到感应线圈，根据电磁感应原理，感应出频率相同、方向相反的涡流，产生涡流热效应，对工件及热影响区加热。
图3-1中频感应加热原理框图
由图可见三相桥式整流电路先把50Hz的工业电流整流成直流电，经过滤波器(直流电抗或电容器)滤波，在由逆变器将直流电变为单相的中频交流电流输出供给负载。
涡电流产生的热量与交变量流频率的平方成正比。为了满足缸套对热影响区快速、均匀加热的工艺要求，显然不能采用工频(50 Hz)，但频率太高会产生肌肤效应，管体心部在短时间内达不到所需温度，因此，采用中频加热，以保证缸套均匀加热，这也是选用中频感应加热缸套的原因。
4、耐磨涂层材料和喷涂方法的选择
对耐磨涂层的要求取决于耐磨涂层与基体材料的力学匹配性、化学匹配性、施加载荷的方向及大小，以及涂层本身的性能。主要有涂层结合强度要求和涂层耐磨性要求。
耐磨涂层的材料选择要满足一下几个方面：
(1)软支承用涂层，允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面
(2)硬支承用涂层，通常在高载荷和低速工况条件下工作，该类支承一般用于可嵌入性和自动调整性不重要的部位。以及润滑受限制的部位。
(3)耐磨粒磨损涂层，当使用温度低于540℃时，涂层要经受外来磨料颗粒的切削和犁沟作用，涂层硬度应超过磨粒的硬度，涂层材料可选自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉末，高铬不锈钢。
(4)耐硬面磨损涂层
当使用温度低于538℃时，磨损是由于硬面在较软面上滑动时，硬的突出部分使软表面开槽导致刮出碎屑，此碎屑具有同磨粒一样的作用。这种情况要比配对表面硬，可采用某些铁基、镍基、钴基喷涂材料、自熔合金、有色金属、氧化物陶瓷、碳化钨陶瓷及某些难熔金属涂层材料。
综上所述，并考虑到材料的本身的性能，最终采用钴基碳化钨作为喷涂材料。热喷涂材料选择钴基碳化钨，主要是考虑到缸套恶劣的工作环境和钴基碳化钨材料比较好的粘自熔性，以及最终得到的涂层性能可以和真空下致密的整体硬质合金的性能相媲美。
热喷涂技术应用十分广泛，选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备减摩、耐摩、耐腐蚀、抗高温氧化、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。热喷涂技术工艺方法很多如火焰喷涂、等离子喷涂，电弧喷涂、爆炸喷涂、高速
关键词：磨损 中频感应加热 喷涂
1、泥浆泵缸套的磨损机理
磨损是相互接触物体在相对运动表面上，材料不断发生损耗的过程。研究磨损，就要针对不同工况条件，合理选用耐磨材料，不断开发新型耐磨材料，减磨材料。
通常按磨损的机理分有：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损。在石油钻井缸套磨损的磨损机理有磨粒磨损和粘着磨损两大类。
由于泥浆泵中的工作介质是泥浆。而泥浆则是由小的颗粒与水组成的。所以有必要讨论一下液体中的颗粒与磨损的关系。硬颗粒嵌在磨擦表面上，对相互磨损的两个表面起切削作用 (在切削过程中还会进一步产生硬颗粒)，造成磨粒磨损。这种磨粒磨损的严重程度通常与颗粒的数目及硬度成正比。磨擦面间的硬颗粒在摩擦过程中不断进行辗、划、压、挤，使表面产生局部塑性变形和原子错位，最终导致表面的疲劳磨损。
硬颗粒的辗、划、压、挤作用，还可以在表面上挤出高垄。这些高垄在以后的磨擦过程中将导致金属的直接接触以及发展为粘着磨损。
2、液体中颗粒对泥浆泵缸套的破坏形式
泥浆泵的通流物质为含有固体颗粒的两相流，其工作介质决定了泥浆泵各过流部件的破坏主要为流体磨粒磨损。根据流体中的固体颗粒与过流部件工作面的接触方式，具体可归纳为3种破坏形式。即高角度冲击磨损、小角度剥蚀、研磨破坏。
泥浆泵缸套是泥浆泵机上最常见的易损件之一。泥浆泵缸套质量性能最突出的要求就是耐高压、耐磨损、抗腐蚀，其次是配合尺寸精度较高。
泥浆泵缸套工况是非常恶劣的：一是要承受十几到三十几兆帕的压力，二是要受到介质中酸碱度的腐蚀，三是要承受介质中磨料在高压高速下的机械磨损。
泥浆泵缸套主要技术要求如下表所示：
工作压力/MPa 内表面硬度 介质条件粘度 含砂量 酸碱度 内表面粗糙度
15 ~ 35 ≥HRC56 70 ~ 80 0.5%~0.7% pH8 Ra0.4
在工作状态下，缸套内表面与活塞外表面之间嵌满砂粒，在运动过程中沙粒作为磨料，使缸套产生磨粒磨损，砂粒的硬度一般为HV600－10000。缸套的失效形式是磨损，当磨损量达0. 2－0. 3mm时，就会造成泥浆泄漏，泵压下降，导致缸套损废。
2、提高缸套耐磨性的途径以及喷涂工艺
目前提高缸套耐磨性的具体途径主要有陶瓷缸套、表面三元共渗、粉末冶金、表面喷涂、等离子喷涂等工艺。
近年来，随着喷涂技术的发展，新的工艺技术和新应用领域不断地涌现。涂层质量很大程度上依赖于喷射熔滴的速度，提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度已经成为当前国际热喷涂技术发展的新趋势，相继出现了爆炸喷涂、高速活性燃气喷涂、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、溶液等离子喷涂、高速等离子喷涂、三阴极内送粉等离子喷涂等新技术。
这些技术的共同的特点是大副度提高了喷涂粒子的飞行速度，降低了涂层孔隙率，提高了涂层的结合强度。
3、中频感应加热
可控硅技术的应用发展很快，可控硅的容量、质量均日渐提高。因此，可控硅中频电源的应用日益广泛，基本上已经取代了中频发电机。
目前流行的可控硅中频感应加热装置主要是KGPS系列，它是一种采用可控硅整流元件作为开关元件的静止变频器，可将工频三相交流电变成中频单相电流交流电源。其逆变电路一般采用串联逆变电路或者倍频逆变电路。
可控硅元件因具有良好的开关特性并能承受大的电流(几百至1000安培)和高的电压(2000～3000伏)，所以它是理想的功率元件。只需在电路上进行合理的设计，就可以把它作为频率变换的理想器件而应用于中频电源。
如图1，380 V，50 Hz三相交流电整流滤波，成为恒定的直流电源，经逆变成为单相中频交流電，再经淬火变压器输送到感应线圈，根据电磁感应原理，感应出频率相同、方向相反的涡流，产生涡流热效应，对工件及热影响区加热。
图3-1中频感应加热原理框图
由图可见三相桥式整流电路先把50Hz的工业电流整流成直流电，经过滤波器(直流电抗或电容器)滤波，在由逆变器将直流电变为单相的中频交流电流输出供给负载。
涡电流产生的热量与交变量流频率的平方成正比。为了满足缸套对热影响区快速、均匀加热的工艺要求，显然不能采用工频(50 Hz)，但频率太高会产生肌肤效应，管体心部在短时间内达不到所需温度，因此，采用中频加热，以保证缸套均匀加热，这也是选用中频感应加热缸套的原因。
4、耐磨涂层材料和喷涂方法的选择
对耐磨涂层的要求取决于耐磨涂层与基体材料的力学匹配性、化学匹配性、施加载荷的方向及大小，以及涂层本身的性能。主要有涂层结合强度要求和涂层耐磨性要求。
耐磨涂层的材料选择要满足一下几个方面：
(1)软支承用涂层，允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面
(2)硬支承用涂层，通常在高载荷和低速工况条件下工作，该类支承一般用于可嵌入性和自动调整性不重要的部位。以及润滑受限制的部位。
(3)耐磨粒磨损涂层，当使用温度低于540℃时，涂层要经受外来磨料颗粒的切削和犁沟作用，涂层硬度应超过磨粒的硬度，涂层材料可选自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉末，高铬不锈钢。
(4)耐硬面磨损涂层
当使用温度低于538℃时，磨损是由于硬面在较软面上滑动时，硬的突出部分使软表面开槽导致刮出碎屑，此碎屑具有同磨粒一样的作用。这种情况要比配对表面硬，可采用某些铁基、镍基、钴基喷涂材料、自熔合金、有色金属、氧化物陶瓷、碳化钨陶瓷及某些难熔金属涂层材料。
综上所述，并考虑到材料的本身的性能，最终采用钴基碳化钨作为喷涂材料。热喷涂材料选择钴基碳化钨，主要是考虑到缸套恶劣的工作环境和钴基碳化钨材料比较好的粘自熔性，以及最终得到的涂层性能可以和真空下致密的整体硬质合金的性能相媲美。
热喷涂技术应用十分广泛，选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备减摩、耐摩、耐腐蚀、抗高温氧化、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。热喷涂技术工艺方法很多如火焰喷涂、等离子喷涂，电弧喷涂、爆炸喷涂、高速