專利名稱：用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：
目前，世界各國(guó)石油資源日漸枯竭，這就需要鉆井公司更經(jīng)濟(jì)、更有效地進(jìn)行石油開發(fā)。作為鉆井作業(yè)中最重要的工具—鉆頭，其工作性能直接影響到鉆井作業(yè)的質(zhì)量、成本和效率。PDC鉆頭是用人造聚晶金剛石切削塊嵌于鉆頭胎體而成的一種新型切削型鉆頭，以其鋒利和高耐磨性逐漸取代石油鉆井中份額較大的牙輪鉆頭，占據(jù)主導(dǎo)地位。PDC鉆頭在實(shí)際鉆探工程失效形式主要有沖蝕、磨損、掉齒等三種，除了PDC本身的質(zhì)量之外，沖蝕通過對(duì)胎體材料的破壞從而影響PDC鉆頭功能和壽命。為了提高和延長(zhǎng)PDC鉆頭功能和壽命，使鉆井工作效率提高和鉆井成本降低，需要開發(fā)一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置，及提出一種對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損的測(cè)量方法，以便更好地定性地對(duì)PDC鉆頭胎體材料的沖蝕磨損開展研究，深入了解和分析PDC鉆頭胎體材料在鉆井液等多相介質(zhì)沖蝕作用下的沖蝕磨損機(jī)理，能夠?yàn)镻DC鉆頭設(shè)計(jì)制造的改進(jìn)和鉆進(jìn)過程的優(yōu)化提供理論依據(jù)和試驗(yàn)借鑒。
沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊，材料表面出現(xiàn)破壞的一種磨損現(xiàn)象。也就是說流體、氣體、固體顆粒或多相介質(zhì)以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖刷或打擊所造成的材料表面流失的現(xiàn)象。
國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)人員研制了許多不同類型的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，這些裝置主要用于材料的純機(jī)械沖刷研究，沒有對(duì)其電化學(xué)腐蝕進(jìn)行考慮，特別是在鉆探領(lǐng)域中，對(duì)熱壓法制造的金剛石鉆頭胎體材料的沖蝕磨損研究基本沒有涉及到。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)重復(fù)性好和性能穩(wěn)定的用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，作為模擬實(shí)際工況下金剛石鉆頭胎體材料的沖蝕磨損的裝置； 本發(fā)明的目的之二在于提出一種操作方便的對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損測(cè)量的方法。
為了達(dá)到本發(fā)明的第一個(gè)目的，提供一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置，包括有試驗(yàn)容器、試樣、試樣夾、固定座、噴頭、管道和流量計(jì)，還有鋼支架、泥漿池、泥漿、加熱棒、溫控儀、變頻調(diào)速器、砂漿泵，鋼支架設(shè)有中間支架，試驗(yàn)容器安放在鋼支架上層，泥漿池放置在鋼支架下層，試驗(yàn)容器上方安裝有懸掛板，試驗(yàn)容器內(nèi)安裝有與溫控儀相連接的加熱棒、試樣懸掛架和三個(gè)電極，懸掛架通過長(zhǎng)螺釘懸掛在懸掛板上，懸掛架上安裝有固定座，固定座與試樣夾固定在一起，試樣夾上鑲嵌有試樣，試樣分為未保護(hù)試樣和陰極保護(hù)試樣，兩試樣上方通過管道安裝有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的噴頭；試驗(yàn)容器內(nèi)的三電極是工作電極、參考電極和對(duì)電極，三電極與由PC機(jī)控制的電化學(xué)工作站連接；泥漿池安裝有閥門，泥漿通過變頻調(diào)速器、砂漿泵、管道循環(huán)輸送到噴頭向兩試樣噴射泥漿。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的鋼支架是試驗(yàn)容器和泥漿池的承載體，鋼支架為四方形，底部設(shè)有滾輪，中間設(shè)有方形或圓形支架支撐試驗(yàn)容器的圓錐部分。鋼支架的尺寸應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)容器和泥漿池的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的試驗(yàn)容器上半部采用圓柱形結(jié)構(gòu)，下半部為圓錐形結(jié)構(gòu)，采用耐腐蝕高強(qiáng)度的材料制作。這是因?yàn)樵囼?yàn)容器設(shè)計(jì)的容積首先必須保證沖蝕液能夠按照試驗(yàn)的要求不斷的對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行不間斷的沖蝕，再次根據(jù)泵的流量和輸送管的內(nèi)徑進(jìn)行計(jì)算，保證容積中的沖蝕液保持動(dòng)態(tài)平衡。采用上半部圓柱形、下半部為圓錐形結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)容器，便于泥漿液的輸送和清洗，采用耐腐蝕高強(qiáng)度的材料制作可耐受沖蝕泥漿的腐蝕和沖刷。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的試樣夾外圍設(shè)有四個(gè)通孔，中間為圓形階梯孔，側(cè)面有一個(gè)螺紋孔。試樣夾外圍的四個(gè)通孔用于將其自身固定在固定座上，中間圓形階梯孔用于鑲嵌入圓形試樣，使其在上下方向得到固定，側(cè)面的螺紋孔使其在左右方向得到固定，這樣試樣可以牢固地鑲嵌在試樣座上，保證沖蝕試驗(yàn)過程中不會(huì)移位。固定座按試樣夾四個(gè)通孔的尺寸也鉆有四個(gè)通孔，借助通孔將試樣夾固定在固定座上，由于沖蝕液具有腐蝕性，試樣夾和固定座采用具有耐腐蝕性的材料制成，試樣夾和固定座安裝在懸掛架上。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的懸掛架是通過長(zhǎng)螺釘固定在懸掛板上，懸掛架在容器內(nèi)的高低位置可以通過調(diào)整長(zhǎng)螺釘來確定，也就是可以通過簡(jiǎn)單的調(diào)整長(zhǎng)螺釘?shù)拈L(zhǎng)度來確定試樣與噴嘴的相對(duì)距離。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的三電極是工作電極、參考電極和對(duì)電極。參考電極選用市售氯化銀或飽和甘汞電極。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置采用雙噴嘴閉路循環(huán)系統(tǒng)測(cè)量純機(jī)械沖刷作用所產(chǎn)生的質(zhì)量損失E，噴嘴的設(shè)計(jì)必須保證沖蝕液對(duì)試樣的沖蝕效果，及保證噴頭暢通不發(fā)生堵塞，因此要根據(jù)管道中泵的流量來設(shè)計(jì)?？紤]到管道中的泵是在砂水泥漿的環(huán)境下工作，故選用砂漿泵。當(dāng)設(shè)定砂漿泵的流量為5m3/h、沖蝕速度選定為5～40m/s，根據(jù)公式Q＝3.14×R2×V(式中Q為泵的流量、R為噴頭的半徑、V為流速)，計(jì)算出噴頭的最大出口半徑為3mm，從強(qiáng)度和安裝方面考慮，噴嘴采用高強(qiáng)度，高耐磨性的材料PVC棒加工而成。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的變頻調(diào)速器是為滿足沖蝕試驗(yàn)?zāi)軌蛟诓煌乃俣认聦?duì)試樣進(jìn)行沖蝕，而在試驗(yàn)電機(jī)上配備了變頻調(diào)速器。由它實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓和頻率的平滑變化，從而達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)。本發(fā)明試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的頻率為50HZ，通過變頻調(diào)速器對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以精確地調(diào)節(jié)沖蝕速度，而且速度調(diào)節(jié)范圍大。本發(fā)明沖蝕磨損試驗(yàn)裝置選用了高性能矢量變頻調(diào)速器。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的流量計(jì)是為了精確地測(cè)量管道中的流量，從而更好的改變噴嘴的沖蝕速度，由于輸送管的內(nèi)徑與噴頭的內(nèi)徑不一樣，直接對(duì)噴頭測(cè)定流速會(huì)有很大的困難，所以采用通過測(cè)流量的方法來確定流速，在主要支路上安裝一個(gè)流量計(jì)測(cè)量流經(jīng)主管路的流量，可以計(jì)算出噴頭出口處的流速。選取了金屬管浮子流量計(jì)，是適用于測(cè)量液體、氣體的全金屬管浮子流量計(jì)。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的溫控儀和加熱棒是為了保證試驗(yàn)?zāi)苣M在某種工況的溫度下進(jìn)行，如試驗(yàn)在室溫到50℃的范圍內(nèi)的某一設(shè)定溫度條件下進(jìn)行，使用加熱棒對(duì)沖蝕泥漿進(jìn)行加熱，通過數(shù)顯溫控儀的溫度探測(cè)器對(duì)加熱棒進(jìn)行控制，使沖蝕泥漿保持恒溫。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的電化學(xué)工作站是金屬腐蝕電化學(xué)測(cè)試的一種常用的基本而重要的儀器，電化學(xué)工作站也選市售產(chǎn)品。電化學(xué)工作站不但可以用于各種電化學(xué)測(cè)試中，而且還可以用于金屬腐蝕、電化學(xué)保護(hù)、電解和電合成、電鍍、金相侵蝕、相分析等研究領(lǐng)域和生產(chǎn)實(shí)踐中，還可以進(jìn)行各種電流波形的極化測(cè)量。通過電化學(xué)工作站可進(jìn)行電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C測(cè)量。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置所述的管路，選取PVC輸送管和管接頭，PVC管價(jià)格低廉，能抗泥漿溶液腐蝕，能承受高壓。所述的閥門有3個(gè)，為了避免沖蝕液對(duì)閥門造成堵塞現(xiàn)象，在輸送管上采用閘閥門，閥門主要起控制流量的和排放沖蝕液的作用。所述的泥漿池體積為500mm×500mm×500mm。
在石油鉆井領(lǐng)域尤其是海洋鉆井，胎體材料不僅受到純機(jī)械沖刷，而且還受到具有腐蝕性的鉆井液影響，及其交互作用的影響，所以為了更好的模擬實(shí)際工況，研究和評(píng)價(jià)胎體材料的沖蝕磨損，必須同時(shí)測(cè)量純機(jī)械沖刷作用所產(chǎn)生的質(zhì)量損失E、電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C和它們相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失S。即金剛石鉆頭胎體材料在鉆井液中的總質(zhì)量損失TML＝E+C+S，在這個(gè)公式中關(guān)鍵在較難測(cè)試的純機(jī)械沖刷質(zhì)量損失E和相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失S。
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，所述的沖蝕試樣為圓柱形試樣，試驗(yàn)采用了兩個(gè)同樣規(guī)格的試樣，一個(gè)為未保護(hù)試樣，另一個(gè)陰極保護(hù)試樣。未保護(hù)試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的總質(zhì)量損失TML，其失重可以通過分析天平進(jìn)行測(cè)量；另一個(gè)陰極保護(hù)試樣采用了外加電流法對(duì)其進(jìn)行了陰極保護(hù)，測(cè)量得到?jīng)_蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的純機(jī)械產(chǎn)生的失重E。
電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C，首先利用電化學(xué)工作站對(duì)腐蝕電流進(jìn)行了測(cè)量，采用原位三電極法，三電極分別是工作電極由試樣構(gòu)成的，參考電極為氯化銀電極或飽和甘汞電極，對(duì)電極由鉑電極構(gòu)成的與工作電極相對(duì)應(yīng)的。通過電化學(xué)工作站測(cè)試，可以得到電極極化曲線，分別表示陰極極化曲線和陽極極化曲線，其中AB和CD為直線，即Tefle直線，延長(zhǎng)AB和CD交于G點(diǎn)，則G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流即為腐蝕電流。根據(jù)Stern-Geary等式 式中ba為陽極Tefle直線斜率、bc為陰極Tefle直線斜率、Rp為線性極化電阻 可以求出G點(diǎn)的所對(duì)應(yīng)的腐蝕電流I，然后利用法拉第定律公式(2)和公式(3)計(jì)算出電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C， 公式ΔM＝εQ＝εIt (2) 式中ΔM為電化學(xué)腐蝕損失量，g；公式中的ΔM就是本發(fā)明所要計(jì)算的電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C，即C＝ΔM；ε為比例常數(shù)，即電化當(dāng)量，g/C；Q為t時(shí)間內(nèi)流過的電量，C；I為腐蝕電流，A；t為腐蝕時(shí)間，s。
電化當(dāng)量ε的數(shù)值就是通過1C電量時(shí)在電極上析出或溶解物質(zhì)的質(zhì)量，可以通過查表獲得。ε＝M/nF (3) 式中F為法拉第常數(shù)(1F＝96500C＝26.8A·h)；M為原子量；n為化合價(jià)。
即析出或溶解1mol任何物質(zhì)所需要的電量都是1F。
最后利用公式TML＝E+C+S計(jì)算出它們相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失S。
本發(fā)明的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置采用了雙噴嘴閉路循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而保證了對(duì)試樣的連續(xù)沖蝕，在裝置的泵啟動(dòng)后，含有固相顆粒砂的泥漿從砂漿池流出，經(jīng)閥門、管道、砂漿泵由兩個(gè)的噴頭處噴出作用在被測(cè)試樣的表面，泥漿不斷地循環(huán)，在設(shè)定的參數(shù)下完成試驗(yàn)，即可以分別求出純機(jī)械沖刷作用所產(chǎn)生的質(zhì)量損失E、電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C和它們相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失S。
為了達(dá)到本發(fā)明的第二個(gè)目的，本發(fā)明提出一種應(yīng)用上述沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損測(cè)量的方法，測(cè)量的方法步驟為 ①準(zhǔn)備一臺(tái)用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，并準(zhǔn)備3個(gè)試樣將直徑為12mm，高為5mm的圓柱形試樣的一個(gè)測(cè)試面依次用600#、800#、1200#的碳化硅拋光，然后用6μm金剛石研磨，達(dá)到在電化學(xué)測(cè)量后能進(jìn)行顯微分析的要求； ②稱重將拋光后的試樣經(jīng)丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后用分析天平稱重；將兩個(gè)試樣牢固鑲嵌在試樣夾中，僅露出拋光面； ③試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定及沖蝕液準(zhǔn)備根據(jù)不同測(cè)量材料所模擬工況設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)溫度選室溫～50℃、沖蝕時(shí)間4～96小時(shí)、砂漿泵沖蝕速度選定為5～40m/s、配制泥漿含砂量100～1000mg/L及0.5％～5％的NaCl鹽水；將泥漿置于泥漿池中，調(diào)節(jié)好閥門； ④測(cè)量純機(jī)械沖刷失重和交互作用失重E將處理好的兩個(gè)試樣、試樣夾和固定座固定在試驗(yàn)裝置的懸掛架上，一個(gè)試樣未采用陰極保護(hù)，另一個(gè)試樣采用陰極保護(hù)；開動(dòng)砂漿泵，抽泥漿至試驗(yàn)容器，由溫控儀控制加熱棒保持泥漿溫度恒定，進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)間到了，取出沖蝕后的試樣，用酸溶液清洗、丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后用分析天平稱重；未經(jīng)保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的總質(zhì)量損失TML，陰極保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的純機(jī)械沖刷失重E； ⑤測(cè)量電化學(xué)腐蝕失重C選取處理好的另一個(gè)試樣接導(dǎo)線、鑲嵌在試樣夾上，采用原位三電極法，通過電化學(xué)工作站測(cè)試，得到陰極極化曲線和陽極極化曲線，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的腐蝕電流I，再利用法拉第定律公式ΔM＝εQ＝εIt和公式ε＝M/nF計(jì)算出電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失ΔM，ΔM即所要測(cè)量的C，公式中ΔM為電化學(xué)腐蝕質(zhì)量損失；ε為比例常數(shù)、Q為t時(shí)間內(nèi)流過的電量，I為腐蝕電流，t為腐蝕時(shí)間；F為法拉第常數(shù)1F＝96500C＝26.8A·h；M為原子量；n為化合價(jià)；電化當(dāng)量ε的數(shù)值是通過1C電量時(shí)在電極上析出或溶解物質(zhì)的質(zhì)量，通過查表獲得； ⑥由TML＝E+C+S計(jì)算出交互作用失重測(cè)量S。
在具備有本發(fā)明的鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置的條件下，再使用本發(fā)明的沖蝕磨損的測(cè)量方法，可以簡(jiǎn)單、方便地對(duì)金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損進(jìn)行定量測(cè)量、評(píng)價(jià)，本發(fā)明的裝置和測(cè)量方法可應(yīng)用于鉆頭制造，石油鉆井，復(fù)合材料制造等行業(yè)，定量評(píng)價(jià)材料在沖蝕磨損作用下的性能。
本發(fā)明用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)重復(fù)性好、性能穩(wěn)定的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，能用于模擬實(shí)際工況下金剛石鉆頭胎體材料的沖蝕磨損。
2、本發(fā)明提供的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置可以對(duì)試樣材料在各種不同配方?jīng)_蝕液介質(zhì)的沖蝕作用下，進(jìn)行各種不同沖蝕速度，不同沖蝕角度、不同沖蝕液溫度下的沖蝕磨損研究。
3、本發(fā)明提出一種對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損測(cè)量的方法，測(cè)量的方法操作簡(jiǎn)便，可以對(duì)金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本發(fā)明的測(cè)量方法可推廣應(yīng)用于鉆頭制造，石油鉆井，復(fù)合材料制造等行業(yè)定量評(píng)價(jià)材料在沖蝕磨損作用下的各種性能。



圖1為本發(fā)明的鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置構(gòu)成示意圖。
圖2為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置試驗(yàn)臺(tái)鋼支架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置噴頭結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置試樣座結(jié)構(gòu)圖。
圖5為圖4的左視圖。
圖6為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置固定架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置電化學(xué)工作站測(cè)量的電極電位E-lgI示意圖。
上述圖中，1泥漿池、2泥漿、3溫控儀、4加熱棒、5閥門、6試驗(yàn)容器、7未保護(hù)試樣、8噴頭、9懸掛板、10懸掛架、11陰極保護(hù)試樣、12參考電極、13對(duì)電極、14電化學(xué)工作站、15PC機(jī)、16流量計(jì)、17管道、18變頻調(diào)速器、19砂漿泵、20鋼支架、21中間支架、22滾輪、23試樣夾、24圓形階梯孔、25螺紋孔、26試樣夾通孔、27固定座、28固定座通孔。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例1配置一臺(tái)用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，其構(gòu)成如圖1所示，至少包括有泥漿池1、泥漿2、閥門3、試驗(yàn)容器4、加熱棒5、溫控儀6、噴頭8、懸掛板9、懸掛架10、試樣、電極、電化學(xué)工作站14、PC機(jī)15、流量計(jì)16、管道17、變頻調(diào)速器18、砂漿泵19鋼支架20等，鋼支架設(shè)有中間支架21，試驗(yàn)容器安放在鋼支架上層，試驗(yàn)容器上半部采用圓柱形結(jié)構(gòu)，下半部為圓錐形結(jié)構(gòu)，采用耐腐蝕，高強(qiáng)度的亞克力有機(jī)玻璃材料制作；試驗(yàn)容器內(nèi)有與溫控儀連接的加熱棒，試驗(yàn)容器上方安裝有懸掛板，試驗(yàn)容器內(nèi)安裝有試樣懸掛架和三個(gè)電極，試樣懸掛架通過長(zhǎng)螺釘固定在懸掛板上，試樣鑲嵌在試樣夾23上，試樣夾固定在固定座27上，固定座固定在懸掛架上，放置的試樣有未保護(hù)試樣7和陰極保護(hù)試樣11，兩試樣上方通過管道安裝有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的噴頭8；試驗(yàn)容器內(nèi)的三個(gè)電極是由試樣構(gòu)成的工作電極、由市售的飽和甘汞電極構(gòu)成的參考電極12和由鉑電極構(gòu)成的對(duì)電極13，三電極均與由PC機(jī)15控制的電化學(xué)工作站14連接；在試驗(yàn)容器圓錐形結(jié)構(gòu)的出口和管道上安裝了閘閥門3，閥門主要起控制流量的和排放沖蝕液的作用。泥漿池1放置在鋼支架下層，泥漿池1內(nèi)的泥漿2通過閥門3、變頻調(diào)速器18、砂漿泵19、管道17循環(huán)輸送到噴頭向兩試樣噴射泥漿。本發(fā)明為了精確地測(cè)量管道中的流量，從而能更好地調(diào)節(jié)噴嘴的沖蝕速度，在主要管道上安裝一個(gè)金屬管浮子流量計(jì)16測(cè)量流經(jīng)主管道的流量，便于計(jì)算出噴頭出口處的流速。
鋼支架20的結(jié)構(gòu)參見圖2，設(shè)有中間圓形支架21，底部設(shè)有滾輪22；噴嘴8的結(jié)構(gòu)參見圖3；試樣夾23、固定座27結(jié)構(gòu)參見圖4、5、6，試樣夾外圍設(shè)有四個(gè)試樣夾通孔26用于將試樣夾固定在固定座上，試樣夾中間為圓形階梯孔24用于存放圓形試樣，側(cè)面有一個(gè)螺紋孔25使試樣在左右方向得到固定，固定座27按試樣夾四個(gè)通孔的尺寸也鉆有四個(gè)通孔28，借助通孔將試樣夾固定在固定座上，試樣夾和固定座采用具有耐腐蝕性的有機(jī)玻璃制成。
配置的本裝置可用于模擬實(shí)際工況下金剛石鉆頭胎體材料的沖蝕磨損，試驗(yàn)重復(fù)性好、性能穩(wěn)定。
實(shí)施例2應(yīng)用上述配置的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損測(cè)量的方法，測(cè)量的方法步驟為 ①使用實(shí)施例1配置的用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，并準(zhǔn)備3個(gè)試樣，試樣為C40鈷基合金，微觀組分如下表1，將12mm，高5mm圓柱形試樣的一個(gè)測(cè)試面依次用600#、800#、1200#的碳化硅拋光，然后用6μm金剛石研磨，使之能夠在電化學(xué)測(cè)量后進(jìn)行顯微分析； 表1 C40鈷基合金的微觀分析組成 ②稱重將拋光后的試樣經(jīng)丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后取2個(gè)試樣用分析天平稱重得到未保護(hù)試樣質(zhì)量m01、陰極保護(hù)試樣質(zhì)量m11；將2個(gè)試樣分別鑲嵌在試樣試樣夾中，僅露出拋光面； ③設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定試驗(yàn)溫度在50℃、沖蝕速度17m/s、沖蝕時(shí)間4小時(shí)；沖蝕液準(zhǔn)備按含沙量500mg/L、3.5％NaCl溶液的配方配制沖蝕泥漿液并置于泥漿池中，試驗(yàn)中采用硅砂為固相，試驗(yàn)用砂的粒度分布見表2； 表2 在沖蝕磨損試驗(yàn)中所用砂的粒度分布 ④測(cè)量純機(jī)械沖刷失重和交互作用失重E將處理好的兩個(gè)試樣、試樣夾、固定座固定在試驗(yàn)裝置的懸掛架上，一個(gè)試樣未采用陰極保護(hù)，另一個(gè)試樣采用陰極保護(hù)；打開左下右下閥門，關(guān)閉上部閥門，開動(dòng)泥漿泵，抽泥漿至試驗(yàn)容器，關(guān)閉左下閥門打開上部閥門，進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；由加熱棒加熱至50℃，溫控儀保持溫度恒定；沖蝕時(shí)間4小時(shí)后試驗(yàn)結(jié)束，取出沖蝕后的試樣，用酸溶液清洗、丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后用分析天平稱重，分別得到未保護(hù)試樣質(zhì)量m02；陰極保護(hù)試樣質(zhì)量m12；未經(jīng)保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差m01-m02為試樣的總質(zhì)量損失TML，TML＝6.73mg，陰極保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差m11-m12＝2.00mg，即試樣的純機(jī)械沖刷失重E為2.00mg； ⑤測(cè)量電化學(xué)腐蝕失重C采用原位三電極法，選取處理好的另外一個(gè)試樣鑲嵌在試樣夾上，接導(dǎo)線作為工作電極，參考電極選飽和甘汞電極，對(duì)電極由鉑電極構(gòu)成；通過電化學(xué)工作站測(cè)試，得到陰極極化曲線和陽極極化曲線，得到對(duì)應(yīng)的腐蝕電流，利用法拉第定律公式ΔM＝εQ＝εIt和公式電化當(dāng)量ε＝M/nF計(jì)算出電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C；公式中ΔM為電化學(xué)腐蝕損失量、ε為比例常數(shù)、Q為t時(shí)間內(nèi)流過的電量，I為腐蝕電流，t為腐蝕時(shí)間；F為法拉第常數(shù)(1F＝96500C＝26.8A·h)；M為原子量；n為化合價(jià)；電化當(dāng)量ε的數(shù)值是通過1C電量時(shí)在電極上析出或溶解物質(zhì)的質(zhì)量，通過查表獲得。最終得到C＝0.20mg； ⑥由TML＝E+C+S計(jì)算出交互作用失重S，最終得到總質(zhì)量損失TML＝6.73mg，其中純機(jī)械沖刷作用所產(chǎn)生的質(zhì)量損失E占總失重的29.7％，電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失C占3.0％，相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失S占總失重的67.3％。
本發(fā)明還提出了應(yīng)用本裝置對(duì)沖蝕磨損進(jìn)行測(cè)量的方法，可測(cè)量出純機(jī)械沖刷、電化學(xué)腐蝕及其相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失，本測(cè)量方法簡(jiǎn)單，易操作，可應(yīng)用于金剛石鉆頭制造，石油鉆井，復(fù)合材料制造等行業(yè)，定量評(píng)價(jià)材料在沖蝕磨損作用下的各種性能，為PDC鉆頭設(shè)計(jì)制造的改進(jìn)和鉆進(jìn)過程的優(yōu)化提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。
權(quán)利要求
1.一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置，包括有試驗(yàn)容器、試樣、試樣夾、固定座、噴頭、管道和流量計(jì)，其特征在于還有鋼支架、泥漿池、泥漿、加熱棒、溫控儀、變頻調(diào)速器、砂漿泵，鋼支架設(shè)有中間支架，試驗(yàn)容器安放在鋼支架上層，泥漿池放置在鋼支架下層；試驗(yàn)容器上方安裝有懸掛板，試驗(yàn)容器內(nèi)安裝有與溫控儀相連接的加熱棒、試樣懸掛架和三個(gè)電極，懸掛架通過長(zhǎng)螺釘懸掛在懸掛板上，懸掛架上安裝有固定座，固定座與試樣夾固定在一起，試樣夾上鑲嵌有試樣，試樣分為未保護(hù)試樣和陰極保護(hù)試樣，兩試樣上方通過管道安裝有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的噴頭；試驗(yàn)容器內(nèi)的三電極是工作電極、參考電極和對(duì)電極，三電極與由PC機(jī)控制的電化學(xué)工作站連接；泥漿池安裝有閥門，泥漿通過變頻調(diào)速器、砂漿泵、管道循環(huán)輸送到噴頭向兩試樣噴射泥漿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的鋼支架為四方形，底部設(shè)有滾輪，中間設(shè)有方形或圓形支架支撐試驗(yàn)容器的圓錐部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試樣座外圍設(shè)有四個(gè)通孔，中間為圓形階梯孔，側(cè)面有一個(gè)螺紋孔。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)金剛石鉆頭胎體材料進(jìn)行沖蝕磨損測(cè)量的方法，其特征在于測(cè)量的方法步驟為
①準(zhǔn)備一臺(tái)用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，并準(zhǔn)備3個(gè)試樣將直徑為12mm，高為5mm的圓柱形試樣的一個(gè)測(cè)試面依次用600#、800#、1200#的碳化硅拋光，然后用6μm金剛石研磨，達(dá)到在電化學(xué)測(cè)量后能進(jìn)行顯微分析的要求；
②稱重將拋光后的試樣經(jīng)丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后用分析天平稱重；將兩個(gè)試樣牢固鑲嵌在試樣夾中，僅露出拋光面；
③試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定及沖蝕液準(zhǔn)備根據(jù)不同測(cè)量材料所模擬工況設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)溫度選室溫～50℃、沖蝕時(shí)間4～96小時(shí)、砂漿泵沖蝕速度選定為5～40m/s、配制泥漿含砂量100～1000mg/L及0.5％～5％的NaCl鹽水；將泥漿置于泥漿池中，調(diào)節(jié)好閥門；
④測(cè)量純機(jī)械沖刷失重和交互作用失重E將處理好的兩個(gè)試樣、試樣夾和固定座固定在試驗(yàn)裝置的懸掛架上，一個(gè)試樣未采用陰極保護(hù)，另一個(gè)試樣采用陰極保護(hù)；開動(dòng)砂漿泵，抽泥漿至試驗(yàn)容器，由溫控儀控制加熱棒保持泥漿溫度恒定，進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)間到了，取出沖蝕后的試樣，用酸溶液清洗、丙酮清洗、蒸餾水沖洗、干燥，然后用分析天平稱重；未經(jīng)保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的總質(zhì)量損失TML，陰極保護(hù)的試樣沖蝕前后產(chǎn)生的質(zhì)量差為試樣的純機(jī)械沖刷失重E；
⑤測(cè)量電化學(xué)腐蝕失重C選取處理好的另一個(gè)試樣接導(dǎo)線、鑲嵌在試樣夾上，采用原位三電極法，通過電化學(xué)工作站測(cè)試，得到陰極極化曲線和陽極極化曲線，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的腐蝕電流I，再利用法拉第定律公式ΔM＝εQ＝εIt和公式ε＝M/nF計(jì)算出電化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的質(zhì)量損失ΔM，ΔM即所要測(cè)量的C，公式中ΔM為電化學(xué)腐蝕質(zhì)量損失；ε為比例常數(shù)、Q為t時(shí)間內(nèi)流過的電量，I為腐蝕電流，t為腐蝕時(shí)間；F為法拉第常數(shù)1F＝96500C＝26.8A·h；M為原子量；n為化合價(jià)；電化當(dāng)量ε的數(shù)值是通過1C電量時(shí)在電極上析出或溶解物質(zhì)的質(zhì)量，通過查表獲得；
⑥由TML＝E+C+S計(jì)算出交互作用失重測(cè)量S。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金剛石鉆頭胎體材料沖蝕磨損的試驗(yàn)裝置及測(cè)量的方法，本發(fā)明的裝置采用了泥漿閉路循環(huán)系統(tǒng)通過雙噴嘴向兩試樣噴射泥漿；采用原位三電極法，在試驗(yàn)容器內(nèi)安裝的三電極，分別是工作電極、參考電極和對(duì)電極，三電極都與由PC機(jī)控制的電化學(xué)工作站連接；本裝置試驗(yàn)可模擬實(shí)際工況下金剛石鉆頭胎體材料的沖蝕磨損，性能穩(wěn)定、重復(fù)性好；本發(fā)明還提出了應(yīng)用本裝置對(duì)沖蝕磨損進(jìn)行測(cè)量的方法，可測(cè)量出胎體材料電化學(xué)腐蝕、純機(jī)械沖刷及其相互作用產(chǎn)生的質(zhì)量損失，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，易操作，可應(yīng)用于金剛石鉆頭制造，石油鉆井，復(fù)合材料制造等行業(yè)，定量評(píng)價(jià)材料在沖蝕磨損作用下的各種性能。
文檔編號(hào)G01N17/02GK101769852SQ20101002892
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者段隆臣, 徐少林, 巖雨, 謝北萍, 陳小松 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)