第十五届全国表面工程青年学术会议

随着油气勘探向深海深地不断拓展，钻井工具的可靠性已成为制约该领域发展的关键瓶颈。机械密封作为钻井环境中不可或缺的密封部件，在极端高温、高压及腐蚀性介质作用下极易发生失效。尽管目前已有相关的实验室模拟研究，但基于真实超深井服役后回收部件的失效分析数据仍极度匮乏。本研究针对在我国四川某超深井中服役超过200小时后回收的无涂层SiC-石墨机械密封环，开展了系统的多尺度失效分析。通过将多种微观表征手段与有限元模拟相结合，揭示了各相组成之间的微观变形行为、弹塑性差异以及失效机理。结果表明，密封界面遭受了磨粒磨损与化学腐蚀的协同破坏。软质石墨相未能有效发挥润滑作用，反而发生了严重的塑性变形与剥落，进而形成了应力集中。相反，硬质SiC相表现出一种自增韧响应：相界面处的应力传递促使高密度层错的生成，诱发了从六方SiC-6H向立方SiC-3C的局部相变。该相变有效缓解了SiC内部的晶格畸变，但密封环的宏观失效最终仍由石墨相的剥落及随后的钻井液冲蚀所主导。上述研究结果为超深井钻探用高可靠性机械密封的设计与制造提供了重要的理论支撑和实践指导。

超深井；机械密封；层错；相变；失效机理