高频感应熔覆NiTiFe合金涂层摩擦学性能研究

为增强金属材料表面的耐磨性能,采用高频感应熔覆技术,在HT300基底表面制备出NiTiFe合金涂层;利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计和X射线衍射仪(XRD)对NiTiFe合金涂层的微观组织、元素组成、硬度、相组成和与基底的结合情况进行表征与分析;通过摩擦磨损试验机对涂层的摩擦学性能进行测试,对其摩擦磨损机制进行分析。结果表明:涂层组织致密,无裂缝和空隙,成型质量良好,平均厚度达到0.7 mm,与HT300基底实现了冶金结合;涂层中主要包含Fe2Ti、Fe6.94Ti0.36和Ni3Fe三种相,Fe元素的加入使涂层的晶格发生畸变,硬度提高,平均硬度达到997.36HV,约为HT300基底平均硬度值的5倍。通过摩擦磨损试验发现,试验前期,NiTiFe合金涂层与对摩副之间的摩擦因数较低,维持在0.2左右,对摩副的失效导致摩擦副之间的接触形式发生改变,摩擦因数产生阶跃;随着载荷的增加,涂层上呈现的磨痕宽度在不断增加,对摩副由于磨损造成的材料去除后暴露出的面积也在不断增大。摩擦磨损试验后,NiTiFe合金涂层摩擦表面光滑平整,仅出现了轻微的磨粒磨损,磨损体积远小于对摩副,表现出优良的耐摩擦磨损性能。

基于截面参数R(R_(1),R_(2))的金属缠绕垫片结构优化设计

金属缠绕垫片广泛应用于管道法兰静密封,其结构对力学性能和密封性能具有重要的影响作用。在常用金属缠绕垫片“V”形简化模型的基础上,提出改进的R(R_(1),R_(2))截面参数简化模型,可以更好地符合工艺要求;将柔性石墨密封带的接触压力、等效应力和压缩回弹作为关键性能指标,构建基本的柔性石墨金属缠绕垫片几何结构优化的目标函数及约束条件方程,利用ANSYS软件对改进模型进行仿真模拟分析,探究不同垫片结构参数对关键性能指标的影响,应用响应面法确定多约束条件下金属缠绕垫片的最优结构。

凹坑型套管损伤对封隔器密封性能的影响

在井下封堵作业中,凹坑型套管损伤可能会对封隔器的密封性能造成影响,威胁现场安全生产,甚至导致重大事故。凹坑型套管损伤对封隔器密封性能的影响规律不明。为此,分析了套管的损伤特征,基于有限元思想建立了不同的凹坑型套管损伤模型,研究了套管表面凹坑型损伤的宽度、深度及与胶筒的相对位置对封隔器密封性能的影响。研究结果表明:套管表面凹坑损伤会改变密封面接触压力的大小和分布,不同程度降低封隔器的密封性能。与无损伤工况相比,含凹坑损伤时,胶筒接触压力曲线呈“M”形特征,凹坑两侧接触压力增大,其他区域减小。当凹坑宽度为4 mm时,随深度增大,封隔器密封系数几乎不变化,密封性能下降约14%。当凹坑宽度大于4 mm时,随深度增大,封隔器密封系数显著降低,密封性能大幅下降(18%~52%),失效风险加剧。凹坑与胶筒的相对位置对封隔器密封性能影响明显,位于胶筒中部的凹坑破坏了密封接触压力曲线的完整性,更大程度上降低了封隔器的密封性能。研究结果可为封隔器的封堵作业提供参考,具有实际工程意义。

基于复合型倒谱理论的石化管道微泄漏点特征识别及实验研究

随着能源需求的增多,能源运输里程数越来越长。在能源运输领域,石化管道是主要的运输方式,其安全问题至关重要。石化管道的微小泄漏伴随流体内压的增加,会随时发生火灾等安全事故,影响整段管道和站场的安全生产。因此,管道安全性检测是必要可少的。在油气运输过程中,由于外负载增加、冲蚀等因素造成管道局部应力集中,管壁减薄,表面出现泄漏点,降低了管道安全性能。通过采用声检测装置建立管道微泄漏点安全检测,测试实验中采集多组泄漏数据,分别为Φ0 mm、Φ1 mm、Φ1.5 mm泄漏点等声信号。利用Matlab平台搭建处理声信号的数学模型,分析了声信号的时频域特征。在频域中,声信号出现了回声干扰、电磁干扰等问题。接着,采用倒谱方法分析了声信号频域特征,信号存在频域混叠问题,不同泄漏点的特征无法区分。最后,提出对数谱模型改进倒谱方法处理声信号。由于不同泄漏点具有不同分贝值和频率值等特征。借助分贝值和频率值特征有效地区分频谱混叠的声信号,并避免了频域分析中出现的电磁干扰和回声干扰问题。分析3组数据发现:管道泄漏的孔径与声检测信号的分贝值和频率值有较大影响。随着泄漏孔径的增加,管道检测声信号的分贝值越大,频率也越来越大。此外,管道在未泄漏状态下,由于检测装置内部的电磁干扰也会影响管道声检测信号。进而,以不同分贝值和频率值表征管道不同泄漏孔径,其分贝值分别为N_(dB0)=0.17dB,N_(dB1)=0.052 dB,N_(dB2)=0.24 dB;频率值分别为:f_(0)=603 Hz,f_(1)=1879 Hz,f_(2)=4049 Hz。总之,该方法在管道微泄漏领域具有重要的理论意义与应用价值。

不同工艺参数下超音速等离子喷涂层界面结合行为及其分形特性

随着研究不断深入,分形几何可以用来描述涂层的表面形貌和复杂性,分形维数可实现形貌结构的定性描述向定量表征转变。为研究超音速等离子喷涂层界面结合行为与其分形维数之间的关系,采用对比试验研究喷涂距离、喷涂电流等工艺参数对涂层结合界面形貌和结合强度的影响,并引入分形理论对界面结合行为进行定量表征,进而探究结合界面形貌、结合强度、分形维数三者的对应关系。结果表明:相比于喷涂电流,喷涂距离对分形维数的影响更为显著。当喷涂距离为80 mm和100 mm时,随着喷涂电流从400 A增大到500 A,分形维数呈先减小后增大趋势,最小为1.1150;当喷涂距离为120 mm时,粒子在等离子焰流中的飞行时间增长,随电流增大,涂层界面分形维数则先增大后减小。界面分形维数与涂层结合强度之间存在着正相关的对应关系。当分形维数在一定范围内呈增大趋势时,涂层/基体结合界面处孔隙减少、结合强度增大。因此,涂层/基体结合行为的分形特性研究对评价涂层质量具有重要意义。

焊接机器人的研究进展与发展趋势

焊接机器人的应用有效地提高了劳动生产率,改善了工人劳动强度,而且具有良好的稳定性。然而焊接机器人的适用范围狭窄,经常出现焊偏、咬边和气孔等问题,导致其对焊接精度和控制方法的要求较高,阻碍了焊接机器人的应用和发展。针对环境视觉分析、控制方法、运动学原理、虚拟现实技术和传感器技术等方面对国内外焊接机器人的研究进展进行回顾、综述和分析;按照技术原理对焊接机器人进行归纳分类,从控制方法型、机器视觉型、运动学原理型、人机交互型和其他类型5个方面介绍焊接机器人研究的关键技术和发展趋势;针对当前焊接机器人的研究进展和发展趋势做出总结。未来焊接机器人将朝着多元化、智能化的方向发展,对未来焊接工业的发展将起到重要推动作用。

几种投球滑套球座材料的冲蚀性能试验研究

水力喷砂压裂会对投球滑套球座造成很严重的冲蚀磨损,从而导致坐封失效。为此,对35CrMo、42CrMo、45#、球墨铸铁和WC球座材料的冲蚀磨损进行试验研究,得到如下结论:塑性材料的冲蚀率随冲蚀角的变化规律相同,均在30°附近呈现最大值; WC涂层冲蚀率随冲蚀角的增大而增大,在冲蚀角90°时出现最大值,当砂浆质量分数较小时,冲蚀率随砂浆质量分数的增大而增大,在15%附近达到峰值,但当质量分数继续增大时,材料的冲蚀率趋于稳定;在同等试验条件和小冲蚀角情况下,5种球座材料试样的冲蚀率从大到小依次为球墨铸铁、45#、35CrMo、42CrMo、WC,可将WC通过热喷涂工艺喷涂到球墨铸铁表面形成涂层来提高其抗冲蚀性;当冲蚀角小于45°时,45#材料表面的冲蚀破坏形态主要以犁沟为主,当冲蚀角大于45°时,冲蚀破坏形态主要以塑性变形为主;当冲蚀角较小时,WC材料的抗冲蚀性优异,材料表面存在细而浅的犁沟,当冲蚀角变大时,凹坑的数量、面积和深度也变大。研究结果对于压裂作业的正常进行具有重要意义。

考虑微动磨损的法兰垫片泄漏路径研究

目前,在能源工程领域,特别是石油和天然气工业,站场和管道是最重要的运输方式。在天然气集输系统中,站场占有比例较大,其可靠性在很大程度上影响着整个管道系统的安全。由于设备和仪表的多样性,螺栓—垫片—法兰连接是站场中主要的连接方式。此外,密封垫片是整个系统的核心密封元件,对管道系统的安全性能至关重要。在天然气输送的过程中,内部输送介质引起的压力脉动将不可避免地导致管道及连接部位发生小幅度的振动,造成垫片与法兰密封面的微动磨损,从而降低螺栓—垫片—法兰连接的紧密性和密封性能。通过对常用金属缠绕垫片的微动磨损试验,观察分析了垫片与法兰密封件界面微动磨损对连接系统微泄漏的影响,并根据密封面的磨痕尺寸,建立了"米"字形垫片微泄漏路径单元模型。利用FLUENT软件对微动磨损产生的微泄漏路径单元内部的流体特性进行了数值模拟,探究了不同管道压力和泄漏模式下泄漏过程的变化规律,并通过柔性石墨壁面的剪力云图分析单元内部通道壁面易受高压介质冲蚀的区域。结果表明,泄漏模式(泄漏口数量)对泄漏路径单元内流场及流速的分布有较大影响,一级泄漏模式入口流速较高,但扩散能力相对较弱,三级泄漏模式的出口流速最大;此外,温度变化不会直接影响内部流场变化;微泄漏路径单元的通道入/出口界面的体积流率均随入口压力的增大而增大;泄漏介质对柔性石墨壁面剪切力的冲蚀区域随泄漏模式产生相应变化,与其它两种泄漏模式相比,一级泄漏模式的壁面剪应力较大,三级泄漏模式的最大剪应力出现在中间区域,对石墨壁面的冲蚀作用影响更大。总的来说,考虑微动磨损的法兰垫片泄漏路径模型一定程度上能够为法兰垫片泄漏模型和评价体系的建立与优化提供参考。

等离子脉冲解堵装置的自反馈送丝装置设计

为了解决井下等离子脉冲解堵装置的金属丝传送精度等问题,根据该装置的工作原理和技术要求,设计了带有自反馈控制功能的送丝装置。通过金属丝传送的动力学分析,以及JCY-1型转动源模拟试验,研究金属丝的传送精度和准确性。结果证明,该装置能精准地将金属丝传送到等离子脉冲作业腔体内,并完成解堵任务,具有良好的应用前景。

水环境下铜丝电爆炸特性及其冲击波行为

针对油气田储层改造中金属丝电爆炸这一新的物理增产技术,为了研究电爆炸冲击波与放电参数之间的关系,搭建了电爆炸试验平台,以铜丝为负载开展了不同放电参数下爆炸特性试验。通过对放电过程中电压、电流、电阻及其沉积能量的分析,研究了电容容量和储能大小对金属丝相变时间、沉积能量及冲击波的影响规律。结果表明,在铜丝从固态到液态相变过程中,电容容量和储能大小对其影响不大,沉积能量为其理论热焓值3倍左右;在铜丝汽化过程中,随着电容储能的增加,60μF容量电容放电时的能量沉积速率要低于30μF容量电容放电,但60μF容量电容在储能较低时仍有较好的放电稳定性。在丝放电过程中,冲击波的峰值压力与铜丝汽化过程中的沉积能量有着紧密的关系,随着沉积能量的增加,它们具有相同的变化趋势。

基于机器学习的管道金属损失缺陷识别方法

针对石化管道漏磁检测时缺陷较难识别的问题,首先对管道金属损失缺陷类型进行分类量化,建立石化管道金属损失缺陷漏磁检测三维有限元模型,采用Maxwell对1000组缺陷进行了漏磁仿真,得到了漏磁信号数据;然后分析了漏磁信号与缺陷类型及尺寸之间的关系,提取了漏磁检测信号的4个特征值,并验证了特征值对于识别缺陷类型的有效性;最后采用支持向量机、随机森林以及梯度提升决策树(GBDT)3种机器学习算法对缺陷信号特征量进行了分类识别。研究结果表明,3种算法对于缺陷的分类识别效果均较好,特别是GBDT算法在现有的数据范围内达到了100%的识别率。研究结果对石化管道完整性评价具有一定的指导意义。

水平井压裂装置智能趾端滑套设计

在压裂作业中,压力完整性测试阶段的高压环境将严重影响趾端滑套的使用寿命。为了解决该问题,根据压裂装置的工作原理和技术要求,创新设计了一种在压力完整性测试之后能延时开启的智能电控趾端滑套,并设计了能够控制滑套延时开启的锁定系统结构及其控制系统。根据工作环境的要求,设计了尺寸较小的PCB控制板。通过数据计算、Ansys仿真分析和模拟试验,证明设计的智能电控趾端滑套在压力完整性测试之后能够有效、精确地开启,为后续压裂作业创造了安全、高效的环境。该设计对压裂装置工作效率的提高和未来发展方向具有重要意义。

基于VMD-SVM的管道漏磁检测信号特征辨识

传统管道漏磁检测信号处理出现混叠、过包络发散、低频异变等问题,导致缺陷信号特征量提取与识别效果不理想。针对上述问题,基于变分模态分析-支持向量机(Variational Mode Decomposition-Support Vector Machines, VMD-SVM)算法完成管道漏磁信号特征辨识。采用四阶VMD处理管道漏磁信号,解决了经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)的过包络引发的信号发散问题,也解决了小波分解(Wavelet Transform, WT)的低频信号异变问题。同时,以峭度最大原则选择最佳的模态分量(IMFm),提取模态分量的特征量,建立样本集。最后,采用SVM算法对信号特征量进行辨识分类,优选核函数,提高辨识精度。利用现场采集信号进行验证,结果表明:VMD-SVM算法抗干扰性强、识别精度高。

基于超声法清洗的管道蛇形机器人研究

针对输油管道内壁滞留物难以清理的问题,设计以STM32单片机为控制核心的基于超声法清洗的管道蛇形机器人。利用超声波原理降低管道内壁污垢的附着力,同时通过机械旋转式吸油装置清除油污,达到超声波-机械式双重清洁的效果。利用多种传感器、电机和舵机的相互配合,实现机器人在变管径管道内自移动。进行正交试验、MATLAB仿真以及数理计算分析。结果表明:该机器人能有效清洁管道内壁污垢,具有良好的可操作性和可拓展性,为实现管道内壁远程的清洁和提高油气运输量提供参考。

综合模糊理论与指数法的高钢级管道环焊缝风险评价

高钢级管道失效形式中,环焊缝开裂或泄漏失效占失效总数的近1/3。为此,针对不同的指标类型选用不同评价方法,提出综合模糊理论与指数法的风险评价方法。评价过程中,采用故障树法得到不可量化评价指标,结合模糊评价和熵权法计算最大隶属度;进而基于相关标准要求确定可量化评价指标,采用指数法计算风险值;最后,基于最大隶属度和指数法风险值建立风险评价矩阵,得到环焊缝风险等级。利用所提出的方法,对中缅天然气管道某管段环焊缝进行风险评价,结果表明:该管段环焊缝失效风险主要由不可量化指标决定,风险处于较高水平,其中管道维护计划执行差、焊接人员资质不达标、焊接工艺规程不清晰等客观因素是导致环焊缝失效的主要原因,评价结果与现场事故报告得到的结论一致。所提出的方法对高纲级管道环焊缝风险评价体系进行了补充与改进,为解决高钢级管道环焊缝失效问题提供了理论参考。

Shear of molecular deposition films on glass substrates determined by tribometer

The ultrathin polyelectrolyte molecular deposition films and polyelectrolyte composite nanoparticles molecular deposition films were prepared using layer-by-layer molecular deposition method and in situ growth method.A micro-tribometer has been developed to measure the shear response of those ultrathin molecular deposition films.By using a smooth steel sphere in a ball-on-flat configuration,the shear force was determined for molecular deposition films on glass substrate for different layers.The results indicate that the shear behaviors of molecular deposition film were mainly determined with the contact area and film layers.Moreover,the composite molecular deposition film with nanoparticles has better shear behaviors than the polyelectrolyte molecular deposition film.The shear force of polyelectrolyte molecular deposition film is more dependent on the speed than that of composite nanoparticle molecular deposition film.