CN101050692A

CN101050692A - 自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法

Info

Publication number: CN101050692A
Application number: CN 200710099513
Authority: CN
Inventors: 田斌; 黄锦滨; 轩翠霞; 于海
Original assignee: Anton Oilfield Services Group Ltd
Current assignee: Anton Oilfield Services Group Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: CN100510310C

Abstract

本发明涉及一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，它包括下列步骤：步骤一、固体润滑剂FeS粉末的制备，通过湿法球磨和镍包覆制得20μm～102μm粒度的镍包FeS粉末；二、喷焊用合金粉末的混合，以“机械搅拌摇匀+筛分”方式将5％～30％质量百分含量的镍包FeS粉末与70％～95％质量百分含量的Ni60自熔合金粉末均匀混合；三、对接箍表面喷焊处理，制得自润滑镍基合金涂层；四、对接箍表面进行抛光，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm。本发明制作的自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍，具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，解决了原来镍基喷焊合金接箍磨损油管内壁的问题。

Description

自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法。

背景技术

抽油机井一直以来都是国内外油田的主要采油方式，而抽油杆接箍则是抽油机井中一个关键的部件，它起着连接抽油杆向抽油泵传递动力的作用，特别是随着当前深油井的不断增多，抽油杆接箍的作用和性能就日渐重要。然而，接箍的实际工作环境却十分恶劣，接箍自身的偏磨腐蚀经常导致抽油杆的断脱；而接箍对抽油管的磨损严重时会导致油管穿孔，两者都会造成油井的停产。

油田目前采用在接箍附近连接扶正器和在接箍表面喷焊镍基合金的方式来解决以上问题。扶正器的使用的初期能起到预防的作用，但在使用后期问题较多，如自身磨损后接箍和油管仍然要磨损、磨损形成的磨屑还可能造成泵漏失、过多的扶正器还能增大抽油机的载荷和活塞效应反而会加重抽油杆的磨损等。接箍表面喷焊镍基合金(多数为Ni60合金粉末)后的接箍很好的解决了接箍自身的磨损和腐蚀问题，使得抽油杆连接处的断脱问题得到有效解决。同时在镍基合金中复合有减摩元素的涂层也能在一定程度上减少对油管内壁的磨损，但从使用效果看，发现此类合金涂层接箍依然存在磨穿油管的问题，特别是井筒中的造斜段这种情况出现较多，说明这种涂层减少油管内壁磨损的性能依然有待提高。

而通过引入新型固体润滑剂FeS与镍基合金粉末混合形成的自润滑镍基合金粉末，不仅可以使原来的镍基合金喷焊接箍的自润滑性能得到显著改善，而且不会增加镍基合金喷焊接箍的成本。然而，FeS作为固体润滑剂在喷涂领域的应用还没有看到，在其粉末制备和与自熔合金喷涂粉末的混合等方面都没有开展相应的工作。因此，通过对FeS固体润滑剂的制备方法以及FeS固体润滑剂与镍基合金粉末的混合方法等方面进行优化选择，开发出一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，将有效地解决油田现场接箍/油管的磨损和腐蚀问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，通过这种方法制作的抽油杆接箍具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，同时在使用过程中可较彻底和有效地降低对油管内壁的磨损，解决油田普遍存在的接箍/油管的磨损和腐蚀问题。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其特征是，它包括下列步骤：步骤一、固体润滑剂FeS粉末的制备：1、首先选取市售分析纯级别的块状FeS粉末试剂；2、接着采用湿法研磨法制备FeS粉末，以确保研磨过程中FeS粉末不会被氧化，即按照1∶1～1∶5的体积比例将FeS粉末和无水乙醇试剂装入球磨机中，选定1000～2000转/分的转速，每隔半小时停止一次球磨，每次停止后将带有小颗粒FeS的溶液倒出，并采用滤纸进行过滤、风干，而将相应体积的无水乙醇补充到球磨机中与剩余的大颗粒FeS形成同样体积的新的混合液后继续研磨，如此反复数次，直到研磨机中剩余的大颗粒FeS很少后即可停止；3、然后将滤纸上风干的FeS粉末收集起来，在坩埚中略加研磨后，用标准粒度筛筛分粉末，即可得到20μm～102μm粒度的FeS粉末；4、再采用水热氢还原法对步骤3中球磨筛分得到的FeS粉末进行镍包覆处理，即选取50％质量百分含量的镍进行包覆处理，使FeS表面的包覆率达到85％～90％；5、最后将得到的镍包FeS粉末用标准粒度筛筛分粉末，以得到制作自润滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的镍包FeS粉末；步骤二、喷焊用合金粉末的混合：1、选取市售的Ni60自熔合金粉末，其粒度范围20μm～102μm；2、将步骤一中制得的镍包FeS粉末按照5％～30％质量百分含量与70％～95％质量百分含量的Ni60自熔合金粉末粉末进行混合，为了得到均匀的混合效果，通过“机械搅拌摇匀+筛分”方式进行混合，即首先将混在一起后的粉末用玻璃棒进行搅拌，然后将其放入密闭容器中反复摇晃，最后再将其倒入150目和250目两级标准筛筛分混合以得到混合均匀的喷焊用自润滑镍基合金粉末；步骤三、喷焊处理：1、在100℃-120℃的烘干箱中对步骤二中制得的混合均匀的自润滑镍基合金粉末进行干燥处理；2、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将数个接箍串在同一根金属杆上并将两端固定；3、对接箍表面预热、喷涂：首先，将接箍转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向移动预热至微微发蓝，以提高接箍表面的温度，增加粉末的沉积率和结合强度；被加热后从加热线圈端部伸出来的接箍立刻将自润滑镍基合金粉末用金属粉末喷枪进行喷涂，直至喷涂至接箍的末端，喷涂后得到的涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围；4、重熔冷却，采用中频感应加热装置对接箍进行表面感应加热，使其表面的合金涂层重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在转动状态下冷却下来；步骤四、抛光后处理：最后对接箍表面进行抛光处理，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm，即得到自润滑镍基合金喷焊接箍。

本发明的优点：本发明中抽油杆接箍的制备方法，操作简便，容易控制；可以保证FeS粉末不被氧化，而且能够实现喷焊粉末不同组分之间的均匀混合；表面感应加热处理不仅不影响接箍基体性能，而且使涂层与接箍之间形成冶金结合，具有很高的结合强度。通过这种方法制备的抽油杆接箍具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，同时FeS固体润滑剂的存在使得此类接箍在使用时在接箍/油管的摩擦表面之间形成有效润滑层，在保护接箍自身的同时实现对油管的保护。

具体实施方式：

实施例一

一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其特征是，它包括下列步骤：

步骤一、固体润滑剂FeS粉末的制备：

1、首先选取北京益利精细化学品有限公司生产的分析纯级别的块状FeS粉末试剂；2、接着采用湿法研磨法制备FeS粉末，以确保研磨过程中FeS粉末不会被氧化。将500gFeS粉末装入上海索维机电设备有限公司生产的SMA-0.75型实验室篮式球磨机中，再将1400ml无水乙醇试剂倒入球磨机中，以球磨机中的磨粒球能够对大部分粉末充分研磨为宜，选定转速1440转/分后开始研磨，每隔30分钟停止球磨，将带有小颗粒FeS的溶液倒出，并采用滤纸进行过滤、风干，而将1400ml无水乙醇补充到球磨机中与剩余的大颗粒FeS形成新的混合液后继续研磨，如此反复数次，直到研磨机中剩余的大颗粒FeS很少后停止；3、然后将滤纸上风干的FeS粉末收集起来，在坩埚中略加研磨后，用浙江上虞华丰五金仪器厂生产的标准粒度筛筛分粉末，即可得到粒度范围20μm～102μm的FeS粉末。4、为保证喷涂过程中FeS粉末不被烧损，采用水热氢还原法对上一步骤中球磨筛分得到的FeS粉末进行镍包覆处理，将1.5kgFeS粉末在中科院过程工程研究所自行研制的25L/6MPa高压反应釜内进行镍包覆试验，包覆过程中高压反应釜内的环境为170℃、4MPa和1100转/分，最后得到含镍50％质量百分含量的FeS粉末，使其表面的包覆率达到85％～90％，将得到的镍包FeS粉末采用浙江上虞华丰五金仪器厂生产的标准筛进行筛分，即可得到制作自润滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的镍包FeS粉末；通过包覆处理可以提高FeS粉末的流动性，有助于其与Ni60粉末的均匀混合，同时避免喷涂过程中出现FeS粉末堵塞枪嘴的现象；另一方面，镍包覆后也可使得FeS粉末在喷涂过程中不被烧损。

步骤二、喷焊用合金粉末的混合：

1、选取成都大光热喷涂材料有限公司生产的DG.Ni60A自熔合金粉末，其粒度范围20μm～102μm；2、将步骤一中制得的镍包FeS粉末按照5％～30％质量百分含量与70％～95％质量百分含量的DG.Ni60A自熔合金粉末粉末进行混合，为了得到均匀的混合效果，采用以下两个途径：一是保证制得的FeS粉末粒度与Ni60自熔合金粉末的粒度一致，均为20μm～102μm；二是通过“机械搅拌摇匀+筛分”方式进行混合，即首先将混在一起后的粉末首先用玻璃棒进行多次搅拌，然后将其放入密闭容器中反复摇晃多次，最后再将其倒入浙江上虞华丰五金仪器厂生产的150目和250目两级标准筛多次筛分混合，即完成整个粉末的混合过程，即可得到混合均匀的喷焊用自润滑镍基合金粉末。

步骤三、喷焊处理：

1、在100℃-120℃的烘干箱中对步骤二中制得的混合均匀的自润滑镍基合金粉末进行干燥处理；2、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将数个接箍串在同一根金属杆上并将两端固定；3、对接箍表面预热、喷涂：首先，将接箍串杆穿过上海华仪感应加热设备有限公司生产中KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器的感应线圈，通过两端带有内螺纹的连接杆、卡盘加以固定，然后以145转/分钟～155转/分钟的速度让接箍串杆转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向以19mm/s～21mm/s的速度移动，使接箍表面自始端至终端依次被中频感应加热器的加热线圈预热一遍，预热时，中频感应加热器的输出功率保持在19KW～21KW，以除去柱塞表面的水分和提高接箍表面的温度，增加粉末粘接结合率，避免过多粉末撞击在冷工件上所造成的反弹损耗，预热一遍后即将中频感应加热器电源关闭；而被加热后从加热线圈端部伸出来的接箍立刻用上海瑞发喷涂机械有限公司生产的型号为QT-E20000-7/h的金属粉末喷枪喷涂上述步骤中得到的自润滑镍基合金粉末，直至喷涂完接箍的末端，喷涂后得到的涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围，既保证最后打磨处理后接箍表面得到足够厚的涂层来保证其耐磨耐蚀和自润滑性能，同时也避免太厚的涂层造成太高的成本；喷涂时喷涂用合金粉末是通过气泵输送到金属粉末喷枪中的，并与氧气和乙炔在金属粉末喷枪中混合后从喷枪口送出，其中输送到金属粉末喷枪的氧气流量为0.39m³/h～0.41m³/h，乙炔流量为0.79m³/h～0.81m³/h，气泵的气体压力为0.023MPa～0.025Mpa；4、重熔冷却，继续采用上海华仪感应加热设备有限公司生产中KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器对接箍进行表面感应加热，中频感应加热器的输出功率保持在103KW～107KW，接箍的转动速度为145转/分钟～155转/分钟，沿轴向的移动速度为13mm/s～15mm/s，使其表面的合金涂层充分重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在空气中转动状态下冷却下来；

步骤四、抛光后处理：

最后对接箍表面进行抛光处理，依次采用100#砂带和200#砂带打磨抛光，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，保证柱塞在正常使用时期内的正常磨损消耗，同时避免涂层太厚引起成本过高。粗糙度不超过Ra0.8μm，即可得到自润滑镍基合金喷焊接箍。

实施例二

一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其制备过程包括FeS粉末制备、FeS粉末与Ni60目熔合金粉末的混合、喷焊处理以及抛光后处理四大步骤，其与实施例一的不同处在于，喷焊用自润滑镍基合金粉末由10％质量百分含量的镍包FeS粉末与90％质量百分含量的Ni60自熔合金粉末均匀混合而成，其它步骤均同实施例一。

实施例三

一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其制备过程包括FeS粉末制备、FeS粉末与Ni60自熔合金粉末的混合、喷焊处理以及抛光后处理四大步骤，其与实施例一的不同处在于，喷焊用自润滑镍基合金粉末由30％质量百分含量的镍包FeS粉末与70％质量百分含量的Ni60自熔合金粉末均匀混合而成，其它步骤均同实施例一。

在实验室环境下对以上三个实施事例中的喷焊层进行磨损和腐蚀性能评价。磨损试验在MM-200型摩擦磨损试验机上进行，块试样采用油田用N80油管，环试样为45钢基材表面喷焊0.25～0.60mm厚的涂层，涂层成分分别为通用Ni60粉末和本发明中的含FeS的Ni60喷焊粉末。实验表明，在400N的载荷，400转/分的转速，以及20分钟时间和水润滑条件下，与N80块/通用Ni60涂层环摩擦副相比，实施例一、二、三中含FeS的Ni60涂层环试样的磨损量变化均很小，但对应的块试样的磨损量则降低了近40倍，尤以实施例二效果最好。FeS的添加使得块试样与环试样的磨损量处于同一个数量级，并且在块试样的磨损表面发现了FeS层的涂抹现象，表明FeS粉末的添加有效地改善了镍基喷焊层的自润滑性能，可以减少油管的磨损，对油管形成有效保护。腐蚀试验分别在浓度30％的HCl溶液和浓度50％的NaOH溶液中进行，对Ni60喷焊涂层和三个实施事例中含FeS的涂层试样在常温和100℃温度条件下进行24小时浸泡试验，结果表明，Ni60涂层和三个实施事例中含FeS的涂层的各个试样均没有发生明显腐蚀失重，充分表明了本发明中的接箍用喷焊粉末具有与Ni60喷焊粉末同样优异的耐腐蚀性能。

Claims

1.一种自润滑镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法，其特征是，它包括下列步骤：

步骤一、固体润滑剂FeS粉末的制备：

1、首先选取市售分析纯级别的块状FeS粉末试剂；2、接着采用湿法研磨法制备FeS粉末，以确保研磨过程中FeS粉末不会被氧化，即按照1∶1～1∶5的体积比例将FeS粉末和无水乙醇试剂装入球磨机中，选定1000～2000转/分的转速，每隔半小时停止一次球磨，每次停止后将带有小颗粒FeS的溶液倒出，并采用滤纸进行过滤、风干，而将相应体积的无水乙醇补充到球磨机中与剩余的大颗粒FeS形成同样体积的新的混合液后继续研磨，如此反复数次，直到研磨机中剩余的大颗粒FeS很少后即可停止；3、然后将滤纸上风干的FeS粉末收集起来，在坩埚中略加研磨后，用标准粒度筛筛分粉末，即可得到20μm～102μm粒度的FeS粉末；4、再采用水热氢还原法对步骤3中球磨筛分得到的FeS粉末进行镍包覆处理，即选取50％质量百分含量的镍进行包覆处理，使FeS表面的包覆率达到85％～90％；5、最后将得到的镍包FeS粉末用标准粒度筛筛分粉末，以得到制作自润滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的镍包FeS粉末；

步骤二、喷焊用合金粉末的混合：

1、选取市售的Ni60自熔合金粉末，其粒度范围20μm～102μm；2、将步骤一中制得的镍包FeS粉末按照5％～30％质量百分含量与70％～95％质量百分含量的Ni60自熔合金粉末粉末进行混合，为了得到均匀的混合效果，通过“机械搅拌摇匀+筛分”方式进行混合，即首先将混在一起后的粉末用玻璃棒进行搅拌，然后将其放入密闭容器中反复摇晃，最后再将其倒入150目和250目两级标准筛筛分混合以得到混合均匀的喷焊用自润滑镍基合金粉末；

步骤三、喷焊处理：

1、在100℃-120℃的烘干箱中对步骤二中制得的混合均匀的自润滑镍基合金粉末进行干燥处理；2、抽油杆接箍表面预处理，对抽油杆接箍表面进行喷砂粗化处理，并使表面活化，保证表面清洁、无油污，将数个接箍串在同一根金属杆上并将两端固定；3、对接箍表面预热、喷涂：首先，将接箍转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向移动预热至微微发蓝，以提高接箍表面的温度，增加粉末的沉积率和结合强度；被加热后从加热线圈端部伸出来的接箍立刻将自润滑镍基合金粉末用金属粉末喷枪进行喷涂，直至喷涂至接箍的末端，喷涂后得到的涂层厚度在0.50mm～0.70mm范围；4、重熔冷却，采用中频感应加热装置对接箍进行表面感应加热，使其表面的合金涂层重熔，重熔温度控制在950℃-1050℃，即涂层出现镜面现象，并使接箍在转动状态下冷却下来；

步骤四、抛光后处理：

最后对接箍表面进行抛光处理，使其表面涂层厚度在0.25mm～0.60mm范围，粗糙度不超过Ra0.8μm，即得到自润滑镍基合金喷焊接箍。