一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法
阅读说明：本技术 一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法 (Method for preparing ceramic cylinder sleeve for petroleum drilling by high-pressure slip casting ) 是由 杨硕 师琳璞 薛建强 李重理 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法,取氧化锆、氧化铝、碳化硅、氧化钇、氧化铈和二氧化钛为原料,并将各原料按重量分成若干份；以制备80—85%固含量的浆料为目标称取水,并将水与分散剂、粘结剂和增强剂均匀混合成预混液置于球磨罐中,然后按照原料所分的份数,逐份分批次将原料投入球磨罐中,并在投入每份原料后均进行球磨,且各批次投料后球磨的时间依次延长,球磨制成的浆料注入模具中,并逐步增大注浆压力,保压一定时间后脱模得到坯体干燥、脱胶,然后于气氛炉中烧结制得陶瓷缸套。制备陶瓷缸套,相对密度达到98.9-99.3%,抗弯强度达到1200-1275MPa,断裂韧性达到10.5-11.8 MPa·m1/2,具有优异的综合性能。(A method for preparing ceramic cylinder sleeve for petroleum drilling by high-pressure slip casting takes zirconia, alumina, silicon carbide, yttria, ceria and titanium dioxide as raw materials, and the raw materials are divided into a plurality of parts by weight; weighing water by taking prepared slurry with solid content of 80-85% as a target, uniformly mixing the water, a dispersing agent, a binder and a reinforcing agent to form a premixed liquid, placing the premixed liquid into a ball milling tank, then putting the raw materials into the ball milling tank in parts by parts according to the parts of the raw materials, carrying out ball milling after each part of the raw materials are put into the ball milling tank, sequentially prolonging the ball milling time after each batch of the raw materials are put into the ball milling tank, injecting the slurry prepared by ball milling into a mould, gradually increasing the grouting pressure, carrying out pressure maintaining for a certain time, demoulding to obtain a blank, drying and degumming, and sintering in an atmosphere furnace to obtain the ceramic cylinder sleeve. The prepared ceramic cylinder sleeve has the relative density of 98.9-99.3%, the bending strength of 1200-1275MPa, the fracture toughness of 10.5-11.8 MPa-m 1/2 and excellent comprehensive performance.)
技术领域
本发明涉及一种高压泥浆泵陶瓷缸套的制备方法，具体地说是一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法。
背景技术
在石油钻井中，高压泥浆泵是钻井平台的心脏，其中缸套是泥浆泵最重要的部件，在作业时要承受高压力、高磨损、强腐蚀的工况条件，是钻井泵的主要易损件之一，其质量和性能的好坏直接影响到钻井工作的正常进行。
目前使用较多的缸套主要有双金属缸套、氧化铝为主体的陶瓷缸套、氧化锆为主体的陶瓷缸套等，其中双金属缸套不耐磨、易被腐蚀，使用寿命不超过500h。而陶瓷缸套多数使用干式成型方法，如公开号为CN106699175A、CN106286274B的中国发明专利，均采取将球磨后的造粒粉先预压再冷等静压成型（CIP）的方法制得坯体，该成型方式的缺点在于：1）无论是在刚性模具中预压，还是在包套后冷等静压的成型过程中坯体的压力传递沿缸套坯体厚度方向存在梯度损失，易导致坯体密度分布不均匀，这样宏观上坯体易出现整体或局部变形，增加了后期加工的成本和难度，微观上坯体内部结构均匀性也不理想，易出现气孔和尺寸异常的晶粒；2）干式成型方法，即便用很高的等静压压力保压，其所得坯体密度仍与理论极限值差距较大，在使用微米级原料粉时，往往须通过很高的烧结温度才能实现较好的致密度，但烧结温度偏高会使烧成品晶粒变大，导致强度和耐磨性的下降；若使用亚微米级或纳米级的较高烧结活性原料，虽可降低致密化温度，但造成了成本的增加；3）干式成型自动化程度低，需要多道工序且只有少部分可以自动化，其余需要人工操作。故干式成型方法，其烧结后的陶瓷缸套的强度、断裂韧性、耐磨性等方面均与使用要求存在差距，实际使用寿命难以超过4000h。
现今在海洋、深井等复杂或恶劣条件下，尤其是随着大排量、高压力泵的应用，对缸套的强度、耐磨耐蚀性、使用寿命均提出了更高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有成型技术坯体内部结构均匀性不理想。强度低的问题，提供一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法，包括如下步骤：
（1）、取氧化锆、氧化铝、碳化硅、氧化钇、氧化铈和二氧化钛为原料，并将各原料按重量分成若干份备用。
（2）、按照步骤（1）所取原料，以制备80—85%固含量的浆料为目标称取水，并将水与分散剂、粘结剂和增强剂均匀混合成预混液。
（3）、将步骤（2）制成的预混液置于球磨罐中，然后按照原料所分的份数，逐份分批次将原料投入球磨罐中，并在投入每份原料后均进行球磨，且各批次投料后球磨的时间依次延长，球磨制成的浆料备用。
（4）、将步骤（3）制成的浆料注入模具中，并逐步增大注浆压力，保压一定时间后脱模得到坯体。
（5）、将步骤（4）得到的坯体干燥后加热脱胶，然后于气氛炉中烧结制得陶瓷缸套。
所述的分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、聚羧酸铵或聚碳酸酯。
所述的粘结剂为聚乙烯醇。
所述的增强剂为改性淀粉、栲胶或棉花纤维。
各成分加入量的重量份数分别为：氧化锆40-60份、氧化铝10-40份、碳化硅 15-30份、氧化钇5-8份、氧化铈3-5份、二氧化钛1-3份、分散剂0.8-2.5份、粘结剂1-3份、增强剂0.3-0.8份。
所取各原料分为3等份，第1份原料直接投入球磨罐的预混液中，球磨罐转速稳定在200-300r/m，球磨1-2h；保持球磨转速不变，第2份原料加入至已含有第1份原料的球磨罐中，继续球磨3-5h，第3次投料直接加入至已含有第2份原料的球磨罐中，继续球磨6-10h，制成粘度在650~980mpa·s的浆料。
所述的步骤（4）中，以0.2-0.4MPa的压力将浆料注入模具的模腔中，并保压1-3min；之后将注浆压力提升至2.0-2.5MPa保压3-5min；再将注浆压力提升至3.5-4.0MPa保压8-10min；最后将注浆压力提升至4.5-5.0MPa保压20-30min，脱模后得到坯体。
所述的模具包括有石膏模具组成的内模和带有微孔的树脂模具组成的外模，陶瓷缸套成型的模腔设置在石膏模具中，树脂模具包覆在石膏模具的外侧。
所述的步骤（5）中，将坯体置于室温条件干燥24-48h，再于烘箱中120-180℃条件下干燥24-48h。
所述的步骤（5）中，干燥后的坯体再于电阻炉中在600-900℃条件下排胶30-40h，最后于气氛炉中在1400-1450℃条件下烧结5-8h。
本发明的有益效果是：以氧化锆和氧化铝为主料，氧化钇和氧化铈为氧化锆的协同稳定剂，碳化硅为增韧材料，二氧化钛为烧结助剂设计原料体系，该原料体系有助于在较低烧结温度下制得高密度、高强度的陶瓷缸套。
通过选用分散剂、粘结剂、增强剂等助剂和多次加料球磨的方式，使原料颗粒能够充分均匀的被研磨，确保在仅用少量水制备高固含量的浆料的情况下制备出细腻微粒的浆料，为注浆成型制备高致密度坯体提供了前提条件。注浆成型时逐步增加注浆压力，一方面可以避免初始注浆压力过高导致局部浆料过快脱水凝固形成气孔、密度不均等瑕疵，另一方面可以利用最终的高压确保坯体整体具有较高的致密度。成型缸套坯体的相对密度可达70-73%，密度高于CIP成型的缸套坯体（相对密度通常在55-65%的范围），更高的坯体密度意味着坯体中颗粒间的平均距离更短，同等条件下的烧结动力更高，更易在较低的烧结温度下实现致密化，得到晶粒度更细小的成品，晶粒度的降低可大幅提高陶瓷缸套的强度、断裂韧性、耐磨性和使用寿命。
本发明中所选用的粘结剂可保证坯体在成型过程和低温（室温）干燥期间的强度，所选用的增强剂可使坯体的强度（在80-150℃的干燥温度段）随干燥温度的升高而增强，从而防止坯体在干燥过程中易因产生的应力不均而发生开裂，降低制品的良品率，同时提高坯体在移动过程中所保持的强度。所制备陶瓷缸套，相对密度达到98.9-99.3%，抗弯强度达到1200-1275MPa，断裂韧性达到10.5-11.8 MPa·m1/2，具有优异的综合性能。
具体实施方式
以下结合实施例具体说明本发明的实施方式。
本发明高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法包括如下步骤：
（1）、取氧化锆、氧化铝、碳化硅、氧化钇、氧化铈和二氧化钛为原料，分散剂、粘结剂和增强剂为助剂。各原料和助剂加入量的重量份数分别为：氧化锆40-60份、氧化铝10-40份、碳化硅 15-30份、氧化钇5-8份、氧化铈3-5份、二氧化钛1-3份、分散剂0.8-2.5份、粘结剂1-3份、增强剂0.3-0.8份。所取各按重量分成若干份备用。
（2）、按照步骤（1）所取原料，以制备80—85%固含量的浆料为目标称取水，水的用量大约占总投料量的17.6-25%。将水与分散剂、粘结剂和增强剂均匀搅拌混合成预混液。
（3）、将步骤（2）制成的预混液置于球磨罐中，然后按照原料所分的份数，逐份分批次将原料投入球磨罐中，并在投入每份原料后均进行球磨。研磨介质选择钇稳定氧化锆，球磨罐选用聚氨酯或尼龙罐，球料比为1:1-2:1，转速稳定在200-300r/m。各批次投料后球磨的时间依次延长，例如，所取各原料分为3等份，第1份原料直接投入球磨罐的预混液中，球磨罐转速稳定在200-300r/m，球磨1-2h；保持球磨转速不变，第2份原料加入至已含有第1份原料的球磨罐中，继续球磨3-5h，第3次投料直接加入至已含有第2份原料的球磨罐中，继续球磨6-10h，制成粘度在650~980mpa·s的浆料，球磨制成的浆料备用。
（4）、将步骤（3）制成的浆料注入模具中，并逐步增大注浆压力，保压一定时间后脱模得到坯体。在注浆过程中逐步提高注浆压力可以使模腔中各部位浆料的水分有充足的时间逐步向模具壁流动而逐步脱水，防止局部浆料过快脱水凝固而导致内部结构密度不均、气孔等缺陷。
所用的模具包括有石膏模具组成的内模和带有微孔的树脂模具组成的外模，陶瓷缸套成型的模腔设置在石膏模具中，树脂模具包覆在石膏模具的外侧。模具外部还有保护外框，模腔规格可根据需要设计，注浆压力由空压机提供。
具体方法为：用压缩空气推送浆料，以0.2-0.4MPa的压力将浆料注入模具的模腔中，并保压1-3min；之后将注浆压力提升至2.0-2.5MPa保压3-5min；再将注浆压力提升至3.5-4.0MPa保压8-10min；最后将注浆压力提升至4.5-5.0MPa保压20-30min，粉浆中的水分别通过石膏模微孔和树脂模具微孔由内而外排出（树脂模具内预留有排水管道），浆料保压成型后脱模得到坯体。
（5）、将步骤（4）得到的坯体置于室温条件干燥24-48h，再于烘箱中120-180℃条件下干燥24-48h，干燥后的坯体再于电阻炉中在600-900℃条件下排胶30-40h，最后于气氛炉中，烧结时坯体置于ZrO2材质的同步收缩衬环上，在1400-1450℃条件下烧结5-8h制得陶瓷缸套。
所述的分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、聚羧酸铵或聚碳酸酯。
所述的粘结剂为聚乙烯醇。
所述的增强剂为改性淀粉、栲胶或棉花纤维。
实施例1
一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法，其步骤如下：
（1）、按重量份数，称取40份的氧化锆、20份的氧化铝、30份的碳化硅、5份的氧化钇、3份的氧化铈、2份的二氧化钛，且均按重量平均分成3份备用。
（2）、按目标固含量80%配制预混液，其中，聚丙烯酸铵分散剂0.8份，聚乙烯醇粘结剂1份，改性淀粉增强剂0.3份，水占投粉总量的25%，助剂加入后机械搅拌5min，使其混合均匀。
（3）、将第一份原料直接加入至预混液中，并置于行星球磨罐中球磨1h（研磨介质选用氧化锆球，球磨罐选用聚氨酯，球料比为1.5:1，转速为230r/m），再将第二份原料补加至球磨罐中，继续球磨3h，最后将第三份原料补加至球磨罐中，继续球磨6h，得到粘度为650mpa·s的适合高压注浆成型的粉浆。
（4）、使用组合式压力注浆系统，以压缩空气推送粉浆，通过4步加压的方法（第一步：注浆压力升至0.2MPa保压1min；第二步：压力升至2.0MPa保压3min；第三步：压力升至3.5MPa保压8min；第四步：压力升至4.5MPa保压20min）将粉浆压入石膏内模中的腔室内，粉浆中的水分别通过石膏模微孔和树脂模具微孔由内而外排出。粉浆保压成型后脱模，制得所需规格的缸套坯体。
（5）、成型后的缸套坯体，置于室温条件干燥24h，再于洁净烘箱中在120℃条件下干燥24h（坯体的相对密度经测试达到70%)；干燥后的坯体再于电阻炉中在600℃条件下排胶30h，最后于气氛炉中在1400℃条件下烧结5h（烧结时使用ZrO2材质的同步收缩衬环），制得相对密度为98.9%、抗弯强度为1200MPa，断裂韧性为10.5MPa·m1/2的陶瓷缸套。
实施例2
一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法，其步骤如下：
（1）、按重量份数，称取50份的氧化锆、25份的氧化铝、15份的碳化硅、5份的氧化钇、3份的氧化铈、2份的二氧化钛，且均按重量平均分成3份备用。
（2）、按目标固含量85%配制预混液，其中，聚丙烯酸铵分散剂1.2份，聚乙烯醇粘结剂2份，改性淀粉增强剂0.5份，水占投粉总量的17.6%，助剂加入后机械搅拌5min，使其混合均匀。
（3）、将第一份原料直接加入至预混液中，并置于行星球磨罐中球磨2h（研磨介质选用氧化锆球，球磨罐选用聚氨酯，球料比为2:1，转速为300r/m），再将第二份原料补加至球磨罐中，继续球磨5h；最后将第三份原料补加至球磨罐中，继续球磨9h，得到粘度为829mpa·s的适合高压注浆成型的粉浆。
（4）、使用组合式压力注浆系统，以压缩空气推送粉浆，通过4步加压的方法（第一步：注浆压力升至0.3MPa保压2min；第二步：压力升至2.2MPa保压5min；第三步：压力升至3.8MPa保压9min；第四步：压力升至5MPa保压25min）将粉浆压入石膏内模中的腔室内，粉浆中的水分别通过石膏模微孔和树脂模具微孔由内而外排出。粉浆保压成型后脱模，制得所需规格的缸套坯体。
（5）、成型后的缸套坯体，置于室温条件干燥24h，再于洁净烘箱中在150℃条件下干燥24h（坯体的相对密度经测试达到72.5%)；干燥后的坯体再于电阻炉中在800℃条件下排胶35h，最后于气氛炉中在1430℃条件下烧结6h（烧结时使用ZrO2材质的同步收缩衬环），制得相对密度为99.1%、抗弯强度为1220MPa，断裂韧性为10.9MPa·m1/2的陶瓷缸套。
实施例3
一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法，其步骤如下：
（1）、按重量份数，称取45份的氧化锆、10份的氧化铝、20份的碳化硅、8份的氧化钇、5份的氧化铈、3份的二氧化钛，且均按重量平均分成3份备用。
（2）、按目标固含量85%配制预混液，其中，聚丙烯酸铵分散剂2份，聚乙烯醇粘结剂1.5份，改性淀粉增强剂0.6份，水占投粉总量的20%，助剂加入后机械搅拌6min，使其混合均匀。
（3）、将第一份原料直接加入至预混液中，并置于行星球磨罐中球磨1.5h（研磨介质选用氧化锆球，球磨罐选用聚氨酯，球料比为1:1，转速为200r/m），再将第二份原料补加至球磨罐中，继续球磨5h；最后将第三份原料补加至球磨罐中，继续球磨10h，得到粘度为840mpa·s的适合高压注浆成型的粉浆。
（4）、使用组合式压力注浆系统，以压缩空气推送粉浆，通过4步加压的方法（第一步：注浆压力升至0.4MPa保压1.5min；第二步：压力升至2.5MPa保压3.5min；第三步：压力升至4MPa保压8.5min；第四步：压力升至4.8MPa保压30min）将粉浆压入石膏内模中的腔室内，粉浆中的水分别通过石膏模微孔和树脂模具微孔由内而外排出。粉浆保压成型后脱模，制得所需规格的缸套坯体。
（5）、成型后的缸套坯体，置于室温条件干燥32h，再于洁净烘箱中在180℃条件下干燥28h（坯体的相对密度经测试达到73%)；干燥后的坯体再于电阻炉中在900℃条件下排胶30h，最后于气氛炉中在1450℃条件下烧结6h（烧结时使用ZrO2材质的同步收缩衬环），制得相对密度为99.3%、抗弯强度为1275MPa，断裂韧性为11.8MPa·m1/2的陶瓷缸套。
实施例4
一种高压注浆成型制备石油钻井用陶瓷缸套的方法，其步骤如下：
（1）、按重量份数，称取60份的氧化锆、40份的氧化铝、30份的碳化硅、6份的氧化钇、4份的氧化铈、2.5份的二氧化钛，且均按重量平均分成3份备用。
（2）、按目标固含量85%配制预混液，其中，聚丙烯酸铵分散剂2.5份，聚乙烯醇粘结剂3份，改性淀粉增强剂0.8份，水占投粉总量的21%，助剂加入后机械搅拌4min，使其混合均匀。
（3）、将第一份原料直接加入至预混液中，并置于行星球磨罐中球磨1.5h（研磨介质选用氧化锆球，球磨罐选用聚氨酯，球料比为1.5:1，转速为300r/m），再将第二份原料补加至球磨罐中，继续球磨4h；最后将第三份原料补加至球磨罐中，继续球磨8h，得到粘度为980mpa·s的适合高压注浆成型的粉浆。
（4）、使用组合式压力注浆系统，以压缩空气推送粉浆，通过4步加压的方法（第一步：注浆压力升至0.3MPa保压2min；第二步：压力升至2.3MPa保压4min；第三步：压力升至3.5MPa保压10min；第四步：压力升至4.5MPa保压28min）将粉浆压入石膏内模中的腔室内，粉浆中的水分别通过石膏模微孔和树脂模具微孔由内而外排出。粉浆保压成型后脱模，制得所需规格的缸套坯体。
（5）、成型后的缸套坯体，置于室温条件干燥24h，再于洁净烘箱中在160℃条件下干燥24h（坯体的相对密度经测试达到72%)；干燥后的坯体再于电阻炉中在700℃条件下排胶40h，最后于气氛炉中在1400℃条件下烧结8h（烧结时使用ZrO2材质的同步收缩衬环），制得相对密度为99.1%、抗弯强度为1230MPa，断裂韧性为10.6MPa·m1/2的陶瓷缸套。