CN112240293A - 耐磨流体端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了耐磨流体端。在一个方面中，本文描述了流体端，其具有解决采用包含研磨颗粒的流体的泵送操作中的劣化机制的结构和设计。简而言之，用于往复式泵的流体端包括主体部分和往复式柱塞，所述主体部分包括具有一定内径表面的孔，所述往复式柱塞至少部分地设置在所述孔中。套筒定位在孔内的内径表面与柱塞之间，所述套筒经由过盈配合接合所述内径表面。
Description
技术领域
本发明涉及流体端和相关联的装置，并且具体地说，涉及采用耐磨部件以增强使用寿命的流体端。
背景技术
高压泵的流体端经常经历苛刻并且恶劣的操作环境。这些恶劣的操作环境可能在流体端的若干区域中引起过早失效。例如，失效可能在阀组合件中，由于与阀的打开和关闭相关联的重复冲击导致的阀和/或阀座断裂而发生。由于孔中的不均匀磨损，失效可能另外发生在填充孔中。在水力断裂操作中，流经流体端的流体包括高含量的研磨颗粒物质。这种颗粒物质可以优先磨损填充孔的多个区域，从而导致冲刷所述孔的内表面。
发明内容
在一个方面中，本文描述了流体端，其具有解决采用包含研磨颗粒的流体的泵送操作中的劣化机制的结构和设计。简而言之，用于往复式泵的流体端包括主体部分和往复式柱塞，所述主体部分包括具有一定内径表面的孔，所述往复式柱塞至少部分地设置在所述孔中。套筒定位在孔内的内径表面与柱塞之间，所述套筒经由过盈配合接合所述内径表面。过盈配合可以经由收缩配合来实现，其中加热流体端主体以使孔扩张，以将直径大于所述孔直径的套筒插入。还可以将套筒冷却以促进插入到孔中。接着将流体端主体冷却以产生过盈配合或收缩配合。
在另一方面中，本文描述了抑制冲刷的方法。在一些实施例中，一种抑制往复式泵的流体端中的冲刷的方法包含经由与孔的内径表面过盈配合来将套筒安装在流体端的孔中，其中所述孔具有用于接收往复式柱塞的尺寸。
这些和其它实施例在以下详细描述中进一步描述。
具体实施方式
本文所描述的实施例可以通过参考以下详细描述和实例以及其先前描述和以下描述而更容易地理解。然而，本文所描述的元件、装置和方法不限于详细描述和实例中呈现的具体实施例。应当认识到，这些实施例仅仅说明本发明的原理。所属领域的技术人员将在不脱离本发明的精神和范围的情况下容易地显而易知许多修改和调整。
在一个方面中，一种用于往复式泵的流体端包括主体部分和往复式柱塞，所述主体部分包括具有一定内径表面的孔，所述往复式柱塞至少部分地设置在所述孔中。套筒定位在孔内的内径表面与柱塞之间，所述套筒经由过盈配合接合所述内径表面。套筒可以由与对流经流体端的流体中的颗粒的对孔内径表面的磨损进行抵抗或抑制相符的任何材料形成。在一些实施例中，例如，套筒可以由钴基合金或镍基合金形成。在此类实施例中，钴基合金或镍基合金可以进一步包含嵌入其中以提供金属基质复合材料的硬粒子。安置于钴基合金或镍基合金基质中的硬粒子可以包含金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、硅化物、硼化物、金属氧化物以及其混合物。在其它实施例中，套筒可以由一种或多种陶瓷材料形成。
在一些实施例中，套筒包含烧结硬质合金(cemented carbide)。在一些实施例中，例如，套筒可以仅由烧结硬质合金形成。套筒的烧结硬质合金可以包含碳化钨(WC)。WC可以以至少70重量％的量或至少80重量％的量存在于烧结的碳化物中。另外，硬质合金的金属粘结剂可以包含钴或钴合金。例如，钴粘结剂可以以介于3重量％至20重量％范围内的量存在于烧结硬质合金中。在一些实施例中，钴粘结剂以介于5重量％至15重量％或介于6重量％至10重量％范围内的量存在于套筒的烧结硬质合金中。套筒的烧结硬质合金还可以包含一种或多种添加剂，例如，以下元素和/或其化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与烧结硬质合金的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，烧结的碳化物可以以介于0.1重量％至5重量％范围内的量包含一种或多种固溶体碳化物。
在一些实施例中，可以采用单个级别的烧结硬质合金来得到套筒。在其它实施例中，套筒可以包含两个或更多个级别的烧结硬质合金。例如，经历高磨损的套筒的区域可以包含平均晶粒大小较小并且粘结剂较少的烧结硬质合金以增强硬度和耐磨性。套筒的其余区域可以包含粘结剂含量较高的烧结硬质合金以增强套筒的韧性和抗断裂性。在一些实施例中，烧结硬质合金套筒不含裂纹。
在一些实施例中，形成套筒的烧结硬质合金可以具有选自表I的压缩应力条件。
表I-烧结硬质合金压缩应力(GPa)
| ≥1 |
| ≥1.5 |
| ≥2 |
| 0.5-3 |
| 1-3 |
| >3 |
可以根据Sin2ψ方法经由X射线衍射确定烧结硬质合金的压缩应力。在一些实施例中，压缩应力条件沿着套筒的一部分或整个纵向轴线延伸。在一些实施例中，套筒的烧结硬质合金在放置在流体端的孔中之前可以表现出选自表I的压缩应力条件。例如，烧结硬质合金套筒可以在安装在流体端孔中之前进行机械加工作业。机械加工作业可以包括将套筒吹磨(blasting)和/或轮磨(grinding)到所需尺寸和/或表面粗糙度。此类机械加工作业可以在孔安装之前将压缩应力条件赋予套筒。
烧结硬质合金的压缩应力条件还可以在将套筒安装在流体端的孔中时由过盈产生。在一些实施例中，烧结硬质合金套筒在安装在流体端孔中时表现出压缩应力梯度。例如，压缩应力梯度可以沿着套筒的纵向轴线延伸，其中相对于套筒的中点，压缩应力在套筒的端部处更高。在一些实施例中，烧结硬质合金套筒的第一端具有比套筒的第二端更高的压缩应力。另外，在一些实施例中，烧结硬质合金套筒在安装在流体端的孔中时可以表现出横截面压缩应力梯度。例如，套筒的压缩应力可以在从外径表面延伸到内径表面的方向上增加。可替代地，套筒的压缩应力可以在从内径表面延伸到外径表面的方向上增加。
如本文所描述，套筒经由过盈配合接合流体端孔的内径表面。在一些实施例中，孔/套筒组合件的过盈是0.008-0.015英寸。可以根据若干考虑因素来选择过盈量，所述考虑因素包括但不限于孔和套筒的具体材料组成以及在收缩配合之后的套筒的所需压缩量。在一些实施例中，孔的内径表面是钢，包括不锈钢。通常，套筒与孔之间的过盈压力高于流体端内侧的压力。
另外，套筒可以包含用于接收一个或多个密封件的一个或多个凹口。例如，填充组合件可以定位在套筒的内表面与往复式柱塞之间以使孔密封。套筒的内表面可以含有用于接收填充组合件的密封件的单个凹口。可替代地，套筒的内表面可以包含用于接收填充组合件的密封件的多个凹口。与套筒凹口对接的密封件可以具有用于延伸出所述凹口的尺寸，以用于维持与往复式柱塞的密封。在一些实施例中，将密封件的子集接收在套筒的凹口中，而其余的密封件与凹口不相关联。套筒的一个或多个内部凹口可以有助于在流体端和相关联的泵送装置的高压操作期间维持密封件的位置。在一些实施例中，套筒的内表面可以包含用于从流经流体端的流体中捕获颗粒的结构。此类结构可以包括凹口和/或挡板。在套筒的内表面上积聚的研磨颗粒可以增强套筒的耐磨性。
在另一方面中，本文描述了抑制冲刷的方法。在一些实施例中，一种抑制往复式泵的流体端中的冲刷的方法包含经由与孔的内径表面过盈配合来将套筒安装在流体端的孔中，其中所述孔具有用于接收往复式柱塞的尺寸。流体端和套筒可以具有上文所描述的任何组成、结构和/或性质。在一些实施例中，套筒在制造时施加到原始流体端。可替代地，套筒可以插入到使用过的流体端的填充孔中。例如，可以在将套筒收缩配合在孔内之前增加填充孔的直径。在一些实施例中，孔直径可以通过机械加工而增加。以这种方式，可以增加现有流体端主体的使用寿命。
套筒可以根据若干方法中的一种方法制造。制造套筒的具体方法可以取决于若干考虑因素，包括套筒的组成和套筒的设计特征。在一些实施例中，套筒可以模制。模具可以填充有粉末合金或碳化物级粉末，并且随后在模具中烧结粉末。在其它实施例中，套筒可以通过一种或多种增材制造技术制造，例如选择性激光烧结(SLS)或粘结剂喷射后接一个或多个烧结操作。
已经描述了本发明的各种实施例以实现本发明的各种目的。应当认识到，这些实施例仅仅说明本发明的原理。所属领域的技术人员将在不脱离本发明的精神和范围的情况下容易地显而易知其许多修改和调整。
Claims (20)
1.一种往复式泵的流体端，其包含：
主体部分，所述主体部分包括具有一定内径表面的孔；
往复式柱塞，所述往复式柱塞至少部分地设置在所述孔中；以及
套筒，所述套筒定位在所述孔内的所述内径表面与柱塞之间，所述套筒经由过盈配合接合所述内径表面。
2.根据权利要求1所述的流体端，其中，套筒包含烧结硬质合金。
3.根据权利要求2所述的流体端，其中，所述内径表面是钢。
4.根据权利要求2所述的流体端，其中，所述烧结硬质合金包含10重量％至20重量％的金属粘结剂。
5.根据权利要求2所述的流体端，其中，所述烧结硬质合金表现出沿着所述套筒的纵向轴线延伸的压缩应力梯度。
6.根据权利要求5所述的流体端，其中，相对于所述套筒的中点，所述烧结硬质合金的压缩应力在所述套筒的端部处更高。
7.根据权利要求2所述的流体端，其中，所述烧结硬质合金在将所述套筒安装在所述孔中之前表现出至少0.5GPa的压缩应力条件。
8.根据权利要求1所述的流体端，其具有0.008-0.015英寸的过盈量。
9.根据权利要求1所述的流体端，其进一步包含处于所述套筒与往复式柱塞之间的一个或多个密封件。
10.根据权利要求9所述的流体端，其中，所述套筒的表面包含用于接收所述一个或多个密封件的一个或多个凹口。
11.根据权利要求1所述的流体端，其中，所述套筒的表面包含用于从流经所述流体端的流体中捕获颗粒的结构。
12.根据权利要求2所述的流体端，其中，所述烧结硬质合金不含裂纹。
13.一种抑制往复式泵的流体端中的冲刷的方法，其包含：
经由与孔的内径表面的过盈配合将套筒安装在所述流体端的所述孔中，其中所述孔具有用于接收往复式柱塞的尺寸。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述套筒包含烧结硬质合金。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述内径表面是钢。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧结硬质合金表现出沿着所述套筒的纵向轴线延伸的压缩应力梯度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，相对于所述套筒的中点，所述烧结硬质合金的压缩应力在所述套筒的端部处更高。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述套筒的表面包含用于在所述套筒与往复式柱塞之间接收密封件的一个或多个凹口。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述套筒的表面包含用于从流经所述流体端的流体中捕获颗粒的结构。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧结硬质合金不含裂纹。
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