防腐耐磨抽油光桿的制作方法
【專利摘要】本發明防腐耐磨抽油光桿涉及一種油田桿泵采油系統中的防腐耐磨抽油光桿。其目的是為了提供一種具有較大的承載能力和抗彎能力，以及生產時成品率高，使用時耐磨耐腐蝕的防腐耐磨抽油光桿。本發明包括基體和噴焊于所述基體表面的噴焊層，以質量百分比計所述噴焊層所用的鎳基合金粉末組成為：C：0%～1.0%，Si：1.0%～3.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：8%～15%，Cu：4%～8%，Mo：2%～6%，余量為鎳。
【專利說明】防腐耐磨抽油光桿
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石油生產設備，尤其涉及一種油田有桿泵采油系統中的抽油光桿。
【背景技術】
[0002]有桿泵采油一直以來都是國內外油田的主要采油方式，而抽油光桿是這類有桿抽油系統的關鍵部件之一。抽油光桿作為抽油機井的第一根抽油桿，首先要承受井下所有的抽油桿、抽油泵和油井井液的重量以及抽油過程中所產生的各種阻力等載荷。由于其在一個工作周期內要往復出現在井下井液和大氣之間，同時還要持續的與井口的橡膠油封發生摩擦，因此使得普通抽油光桿難以承受這樣的腐蝕和磨損；另外，隨著當前深油井、稠油井和高含水井的不斷增多，也需要不斷開發承載能力足夠大耐磨耐腐蝕性能足夠好的抽油光桿。
[0003]當前，高承載能力的高強度抽油光桿的制備主要有兩個途徑:一是通過熱處理工藝對20CrMo等普通和常用抽油光桿材料進行表面感應淬火等進行熱處理來獲得工藝型高強度抽油光桿，即HY型抽油光桿；二是通過更新和改進抽油光桿材料，采用調質或者簡單熱處理手段就可以獲得的高強度抽油光桿，即HL型抽油光桿。
[0004]但要想使高強度抽油光桿同時具有較好的耐磨耐蝕性能，就需要進一步的表面滲鍍等熱處理或化學處理，目前尤以表面噴焊不同鎳基合金涂層應用較為廣泛。由于HY型抽油光桿在進行該耐磨耐蝕表面處理過程中，容易形成對基材表面硬化層的破壞和影響，因此難以有效應用。而HL型抽油光桿的性能則主要取決于材料，基材受表面處理的影響較小，更適合于進行熱處理和化學處理，因此成為耐磨耐蝕表面處理更適合的光桿基材。
[0005]在國內外油田己有的材料型抽油桿/抽油光桿中，以美國的97型鋼、國內的FG20鋼和BZll鋼等具有較好的代表性，但由于FG20鋼對生產過程中的溫度控制要求較高，且其斷后延伸率(200mrn標距)難以保證滿足SY/T5029-2006《抽油桿》標準中關于H級抽油光桿延伸率不小于10%的要求，因此國內油田已經很多年沒有使用這種材質的抽油光桿，而美國的97型鋼和國內的BZll鋼抽油光桿雖然在性能上完全滿足行業標準的要求，且在使用中體現出很好的性能，但由于其生產成本太高，遠遠超出油田實際的接受程度，導致其同樣難以在國內油田進行推廣和應用。
[0006]目前國內油田基本沒有高承載耐磨耐蝕的材料型超高強度抽油光桿的應用，仍然普遍使用20CrMo基材和表面噴焊鎳基合金涂層的噴焊光桿，使得其在生產效率和性能要求等方面已經逐漸難以滿足油田實際的需求。特別是由于光桿在其卡子下方十公分范圍內承受著較大的彎曲循環載荷作用，使得該位置的斷裂成為光桿斷裂的主要形式之一，而這種斷裂形式對于噴焊涂層光桿來說更為顯著，這主要是由于油田現有噴焊光桿在鎳基合金涂層的成分優化、以及鎳基涂層和光桿基材的匹配選擇上不夠合理，導致此類噴焊涂層光桿在使用過程中的彎曲力作用下涂層表面會較快產生裂紋并擴展，嚴重降低了噴焊光桿的使用壽命，中國專利ZL200910202976.6所公開的技術已經解決了在使用過程中抽油光桿噴焊層開裂的問題。然而在抽油光桿實際生產過程中還發現，噴焊層在經過重熔冷卻工序后容易出現少量微裂紋，微裂紋的存在會影響防腐耐磨光桿在油田現場使用的防腐效果，出現這種情況的產品不能出廠使用，從而導致抽油光桿成品率不高。因此，如何優化鎳基合金涂層的成分，選擇性能更佳的HL型光桿基材，并在涂層噴焊過程中實現合金涂層與光桿基材的合理匹配，大幅提高噴焊涂層光桿的抗彎能力和抽油光桿在生產過程中提高表面涂層的抗裂紋能力，降低殘次品率，將是關系到噴焊涂層光桿能否不斷滿足油田使用要求的關鍵所在。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題在于提供一種具有較大的承載能力和抗彎能力，以及生產時成品率高，使用時耐磨耐腐蝕的抽油光桿。
[0008]本發明一種防腐耐磨抽油光桿，包括基體和噴焊于所述基體表面的噴焊層，以質量百分比計所述噴焊層所用的鎳基合金粉末組成為:c:0%~1.0%，S1:1.0%~3.0%，B:1.5% ~4.5%, Cr:8% ~15%, Cu:4% ~8%, Mo:2% ~6%,余量為鎳。
[0009]本發明防腐耐磨抽油光桿，其中所述噴焊層厚度為0.1 mm~0.35 mm。
[0010]本發明防腐耐磨抽油光桿，其中所述基體與噴焊層之間相互滲透形成滲透層。
[0011]本發明防腐耐磨抽油光桿，其中以質量百分比計所述鎳基合金粉末的組成為:C:
0.5%, Si:1.0%, B:4%, Cr:11%，Cu:8%，Mo:6%，余量為鎳。
[0012]本發明防腐耐磨抽油光桿，其中以質量百分比計所述基體的組成為:C:0.1%~
0.16%, Si:0.4% ~1.2%, Mn:0.4% ~1.0%, Cr:1.5% ~2.5%, Mo:0.2% ~0.6%, Ni:0.2% ~
0.6%, P ≤ 0.025%, S ≤0.025%，余量為鐵。
[0013]本發明防腐耐磨抽油光桿，其中以質量百分比計所述基體的組成為:0.13%，Si:
0.8%, Mn:0.7%, Cr:2.5%, Mo:0.6%, Ni:0.2%, P ≤ 0.025%, S ≤ 0.025%，余量為鐵。
[0014]本發明防腐耐磨抽油光桿有如下有益效果:
[0015]本發明防腐耐磨抽油光桿噴焊層所使用的金屬粉末成分相較于傳統的金屬粉末成分而言，降低了了 Cu元素的比例，并加入了 Mo元素。Cu雖然有提高涂層的韌性和自潤滑性的作用，但是含量過高，影響鎳基合金粉末的噴涂工藝性能，導致自熔性降低，因此降低Cu元素的比例并加入適量Mo元素，并且同時調整其他元素進行配合調整，一方面保證了合金涂層的噴涂加工性能，減少了生產抽油光桿過程中涂層開裂的幾率，另一方面涂層的硬度和韌性有所保證。
[0016]本發明中鎳基合金的成分配比，使得噴焊層的電位比基體的電位更低，相對基體是“陰極”，這樣利用陰極保護的原理，進一步提高了涂層的防腐性能。
[0017]本發明采用的這種材料型高強度鋼抽油光桿基材，屬于貝氏體鋼，具有較好的綜合力學性能，對生產加工過程的要求比FG20鋼要寬松很多，而且鋼材成本相對較低，保證了本發明防腐耐磨抽油光桿具有較高的承載能力等力學性能和相對較低的成本。
[0018]下面結合附圖對本發明防腐耐磨抽油光桿作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明防腐耐磨抽油光桿的結構示意圖。【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，本發明防腐耐磨抽油光桿包括基體I和噴焊于基體I表面的厚度為
0.1mm~0.35mm的噴焊層2，且基體I與噴焊層2之間相互滲透形成滲透層。
[0021]其中，以質量百分比計所述基體I的組成為:C:0.1%~0.16%，S1:0.4%~1.2%，Mn:0.4% ~1.0%, Cr:1.5% ~2.5%, Mo:0.2% ~0.6%, N1:0.2% ~0.6%, P ≤ 0.025%,S≤0.025%，余量為鐵。
[0022]其中，以質量百分比計所述噴焊層所用的鎳基合金粉末組成為:C:0%~1.0%，Si:
1.0% ~3.0%, B:1.5% ~4.5%, Cr:8% ~15%, Cu:4% ~8%, Mo:2% ~6%,余量為鎳。
[0023]Mo元素的比例確定為2%~6%原因如下:如果Mo的含量低于2%則噴焊層2的韌性和抵抗裂紋形成的能力沒有得到明顯地提高，而如果Mo的含量超過6%則噴焊層2的硬度會明顯降低，噴焊層2的耐磨性下降。
[0024]噴焊層2的厚度確定為0.1mm~0.35mm的原因如下:如果噴焊層2的厚度小于
0.1mm，石油會透過噴焊層2滲入抽油光桿基體1，對抽油光桿造成腐蝕；如果噴焊層2的厚度大于0.35_，則不利于滲透層的形成，從而噴焊層2也就容易從基體I脫落。
[0025]本發明防腐耐磨抽油光桿的噴焊層2形成過程如下:
[0026]A.將基體I毛胚表面的油污清洗干凈并吹干；
[0027]B.對基體I毛胚表面進行噴砂除銹、粗化和活化；
[0028]C.在基體I毛胚表面采用熱噴焊工藝制備一層0.2mm~0.4mm厚度的噴焊層2滲透層；
[0029]D.待噴焊層2冷卻，對抽油光桿表面進行拋光。
[0030]接下來對本發明防腐耐磨抽油光桿的力學性能以及抵抗裂紋形成的性能作實驗驗證。
[0031]首先，在以下各實施例中，以質量百分比計噴焊層2所用的鎳基合金粉末的組成和基體I的組成在各自配比范圍內選定并依照上述噴焊層2的成型過程制作抽油光桿試樣，其中:
[0032]實施例一:以質量百分比計鎳基合金粉末的組成為:C:0.1%，S1:1%，B:4%，Cr:11%, Cu:8%，Mo:6%，余量為鎳。以質量百分比計基體I的成分選定為:C:0.1%, S1:0.4%,Mn:
0.4%, Cr:2%，Mo:0.4%, Ni:0.6%, P:0.025%, S:0.025%，余量為鐵。
[0033]實施例二:以質量百分比計鎳基合金粉末的組成為:C:0.5%，S1:2%，B:6%，Cr:15%，Cu:4%，Mo:2%，余量為鎳。以質量百分比計基體I的成分選定為:C:0.13%，S1:0.8%，Mn:0.7%, Cr:2.5%, Mo:0.6%, Ni:0.2%, P:0.025%, S:0.025%，余量為鐵。
[0034]實施例三:以質量百分比計鎳基合金粉末的組成為:C:1%, Si:3%, B:2%, Cr:6%，Cu:4%，Mo:2%，余量為鎳。以質量百分比計基體I的成分選定為:C:0.16%，S1:1.2%，Mn:
1.0%, Cr:1.5%, Mo:0.4%, Ni:0.4%, P:0.025%, S:0.025%，余量為鐵。
[0035]實施例四:以質量百分比計鎳基合金粉末的組成為:C:0.3%，S1:1.6%，B:5%，Cr:12.5%，Cu:3.5%，Mo:3.5%，余量為鎳。以質量百分比計基體I的成分選定為:C:0.15%，Si:
0.7%, Mn:0.5%, Cr:1.8%, Mo:0.3%, Ni:0.5%, P:0.025%, S:0.025%，余量為鐵。
[0036]其次，從本發明的四個抽油光桿試樣的任意位置分別截取一段長度為400rnm左右的試樣按照油田抽油光桿力學性能檢驗的通用辦法，進行拉伸和彎曲試驗，結果如下:
[0037]在實驗室環境下采用WE-1000型液壓萬能試驗機對以上實施例中的防腐耐磨抽油光桿進行了拉伸性能評價，具體如表1所示。結果表明，本發明的抽油光桿不僅滿足行標SY/T5029-2006對HL抽油光桿關于延伸率和斷面收縮率等塑性指標的規定，其抗拉強度還超過了其標準要求，體現了其更高的承載能力。
[0038]表1抽油光桿力學性能試驗一
[0039]
【權利要求】
1.一種防腐耐磨抽油光桿，包括基體和噴焊于所述基體表面的噴焊層，以質量百分比計所述噴焊層所用的鎳基合金粉末組成為:c:0%~1.0%，S1:1.0%~3.0%，B:1.5%~4.5%, Cr:8% ~15%，Cu:4% ~8%，Mo:2% ~6%，余量為鎳。
2.根據權利要求1所述的防腐耐磨抽油光桿，其特征在于:所述噴焊層厚度為0.1mm~0.35腿。
3.根據權利要求1所述的防腐耐磨抽油光桿，其特征在于:所述基體與噴焊層之間相互滲透形成滲透層。
4.根據權利要求1所述的防腐耐磨抽油光桿，其特征在于:以質量百分比計所述鎳基合金粉末的組成為:C:0.5%，S1:1.0%，B -A0Z0, Cr:11%，Cu:8%，Mo:6%，余量為鎳。
5.根據權利要求1所述的一種防腐耐磨抽油光桿，其特征在于:以質量百分比計所述基體的組成為:c:0.1% ~0.16%, Si:0.4% ~1.2%, Mn:0.4% ~1.0%, Cr:1.5% ~2.5%, Mo:0.2% ~0.6%, Ni:0.2% ~0.6%, P ≤ 0.025%, S≤ 0.025%,余量為鐵。
6.根據權利要求1所述的防腐耐磨抽油光桿，其特征在于:以質量百分比計所述基體的組成為:0.13%, Si:0.8%, Mn:0.7%, Cr:2.5%, Mo:0.6%, Ni:0.2%, P ≤ 0.025%,S≤0.025%，余量為鐵。
【文檔編號】E21B17/00GK103806846SQ201410076469
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月4日 優先權日:2014年3月4日
【發明者】趙磊, 余傳謀, 孫茂盛, 李明, 李勇, 付小波, 劉斌, 劉濤, 吳振寧 申請人:東營咸亨工貿有限公司, 劉濤, 吳振寧