CN101571033B

CN101571033B - 一种抽油光杆

Info

Publication number: CN101571033B
Application number: CN2009102029766A
Authority: CN
Inventors: 黄锦滨; 李艳; 袁静静
Original assignee: TIELING MILER OIL NEW MATERIAL CO Ltd
Current assignee: Huang Jinbin; Liu Boying; Tieling Mirror Petroleum New Material Technology Co ltd
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: CN101571033A

Abstract

一种抽油光杆，其特征在于：包括基材和喷焊于所述基材表面的镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～14.0％，Cu：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。本发明中的MC抽油光杆具有很好的综合力学性能，不仅使抗拉强度得到了显著提高，再加上其表面的镍基合金涂层具有优异的耐磨耐蚀性能和较好的抗弯性能，使本发明的抽油光杆可以很好地满足油田高载荷和磨损腐蚀的服役环境。

Description

一种抽油光杆

技术领域

本发明涉及石油设备，更具体涉及一种抽油光杆。

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，而抽油光杆是这类有杆抽油系统的关键部件之一。抽油光杆作为抽油机井的第一根抽油杆，首先要承受井下所有的抽油杆、抽油泵和油井井液的重力以及抽油过程中产生的各种阻力等载荷；由于其在一个工作周期内要往复出现在井下井液和大气之间，同时还要持续的与井口的橡胶油封发生摩擦，因此使得普通光杆难以承受这样的腐蚀和磨损；另外，随着当前深油井、稠油井和高含水井的不断增多，也需要不断开发承载能力足够大耐磨耐蚀性能足够好的抽油光杆。

当前，高承载能力的高强度抽油光杆的制备主要有两个途径：一是通过热处理工艺对20CrMo等普通和常用抽油光杆材料进行表面感应淬火等进行热处理来获得工艺型高强度抽油光杆，即HY型抽油光杆；二是通过更新和改进抽油光杆材料，采用调质或者简单热处理手段就可以获得的高强度抽油光杆，即HL型抽油光杆。

但要想使高强度抽油光杆同时具有较好的耐磨耐蚀性能，就需要进行进一步的表面渗镀等热处理或化学处理，目前尤以表面喷焊不同镍基合金涂层应用较为广泛。由于HY型抽油光杆在进行该耐磨耐蚀表面处理过程中，容易形成对基材表面硬化层的破坏和影响，因此难以有效应用。而HL型抽油光杆的性能则主要取决于材料，基材受表面处理的影响较小，更适合于进行热处理和化学处理，因此成为耐磨耐蚀表面处理更适合的光杆基材。

在国内外油田已有的材料型抽油杆/抽油光杆中，以美国的97型钢、国内的FG20钢和BZ11钢等具有较好的代表性，但由于FG20钢对生产过程中的温度控制要求较高，且其断后延伸率(200mm标距)难以保证满足SY/T5029-2006《抽油杆》标准中关于H级抽油光杆延伸率不小于10％的要求，因此国内油田已经很多年没有使用这种材质的抽油光杆；而美国的97型钢和国内的BZ11钢抽油光杆虽然在性能上完全满足行业标准的要求，且在使用中体现出很好的性能，但由于其生产成本太高，远远超出油田实际的接受程度，导致其同样难以在国内油田进行推广和应用。

目前国内油田基本没有高承载耐磨耐蚀的材料型超高强度抽油光杆的应用，仍然普遍使用20CrMo基材和表面喷焊镍基合金涂层的喷焊光杆，使得其在生产加工和性能要求等方面已经逐渐难以满足油田实际的需求。特别是由于光杆在其卡子下方十公分范围内承受着较大的弯曲循环载荷作用，使得该位置的断裂成为光杆断裂的主要形式，而这种断裂形式对于喷焊涂层光杆来说更为显著，这主要是由于油田现有喷焊光杆在镍基合金涂层的成分优化、以及镍基涂层和光杆基材的匹配选择上不够合理，导致此类喷焊涂层光杆在使用过程中的弯曲力作用下涂层表面会较快产生裂纹并扩展，严重降低了喷焊光杆的使用寿命。

因此，如何优化镍基合金涂层的成分，选择性能更佳的HL型光杆基材，并在涂层喷焊过程中实现合金涂层与光杆基材的合理匹配，大幅提高喷焊涂层光杆的抗弯能力和表面涂层的抗裂纹能力，将是关系到喷焊涂层光杆能否不断满足油田使用要求的关键所在。

综上所述，油田迫切需要一种性能优良且成本相对较低的材料型抽油光杆，结合改进后的热喷焊涂层技术，使该类型抽油光杆具有足够的承载能力和抗弯性能，以及较好的耐磨和耐蚀性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有较大的承载能力和抗弯能力，以及较好的耐磨耐蚀性能的抽油光杆。

按照本发明提供的一种抽油光杆，包括基材和喷焊于所述基材表面的镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～14.0％，Cu：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

按照本发明提供的一种抽油光杆还具有如下附属技术特征：

以质量百分比计所述基材的组成为：C；0.10％～0.18％，Si：0.50％～1.80％，Mn：0.50％～1.50％，Cr：0.80％～1.9％，Nb：0.03％～0.06％，Ti：0.01％～0.06％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。

所述基材与所述镍基合金涂层之间相互渗透形成渗透层。

所述渗透层的厚度为1μm～10μm。

以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.40％，Si：2.0％～3.0％，B：2.0％～3.0％，Cr：7.0％～10.0％，Cu：7.0％～12.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％～0.14％，Si：0.90％～1.30％，Mn：0.80％～1.30％，Cr：1.40％～1.70％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.02％～0.04％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。

所述镍基合金涂层的厚度为0.10mm～0.50mm。

表面粗糙度R_a小于等于0.6μm。

所述镍基合金涂层的硬度为25HRC～38HRC。

所述光杆基材的截面中心硬度为35HRC～47HRC。

按照本发明提供的一种抽油光杆与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明在涂层中添加了铜，铜元素具有优异的耐蚀和耐磨性能，因此通常被广泛用于耐蚀和固体润滑领域，如在一些喷焊接箍用的合金粉末中通过增加少量的Cu元素(通常为2～4％)，就可使其获得的喷焊涂层具有更加优异的润滑和耐蚀性能，但在本发明中，Cu元素的作用不仅是耐蚀和润滑，而是将Cu元素首次以改善合金涂层力学性能的目的加入合金粉末当中，通过适当提高Cu的含量并对其含量范围的适当控制，以及对合金粉末的其它元素成分范围的相应调整，从而使本发明中的合金粉末喷焊涂层具有更佳的韧性，可以在一定程度上提高涂层抵抗裂纹形成和扩展的能力。特别是，通过该涂层和基材的优化匹配，可以使得本发明的抽油光杆具有更佳的整体抗弯性能和抵制表面裂纹产生的能力，为解决油田光杆使用寿命问题提供了较好的解决途径。其中，Cu的含量范围确定为5.0％～15.0％，这是由于如果Cu的含量低于5％则不足以明显改善镍基合金粉末喷焊涂层的韧性和抵抗裂纹形成的能力，而如果Cu的含量超过15％则又会引起镍基合金粉末喷焊涂层硬度显著降低，会使涂层的耐磨性能下降，也难以起到抵抗涂层表面裂纹形成的作用。

2、对喷焊用的镍基合金粉末进行了成分优化设计，使其在涂层热喷焊过程中具有了更好的工艺性能，减少了涂层表面裂纹等缺陷产生的可能。

3.本发明采用的这种材料型高强度钢抽油光杆基材，属于贝氏体类钢，具有较好的综合力学性能，对生产加工过程的要求比FG20钢要宽松很多，而且钢材成本相对较低，保证了本发明抽油光杆具有较高的承载能力等力学性能和相对较低的成本。

4.本发明首次采用该新型贝氏体钢作为喷焊光杆的基材，使得对合金粉末涂层加热温度的限制大幅减少，而且涂层质量更易于控制。这主要是由于现有的20CrMo光杆基材受加热温度的影响较大，因此为了保证喷焊光杆的整体性能，在合金粉末涂层热喷焊过程中，通常会尽量降低合金粉末的熔点和降低涂层制备时的加热温度，使得涂层加工工艺控制难度较大。而采用本发明的光杆基材后，由于基材性能受温度影响远小于20CrMo光杆基材，因此可以根据粉末自身需要确定加热温度，使涂层质量控制的难度大幅降低。

5.本发明中严格限制了喷焊合金光杆的粗糙度，使得在该粗糙度条件下，光杆和井口油封之间的磨损进一步降低，在保证不漏油和摩擦力变化不大的前提下，一定程度上减少油封的更换。

附图说明

图1是本发明的主视图。

具体实施方式

参见图1，在本发明给出的一种抽油光杆的实施例，包括基材1和喷焊于抽油光杆基材1表面的镍基合金涂层2两部分构成，抽油光杆基材1是一种一端镦粗型柔性长杆，包括一端的镦粗段3，两端的杆头4、5和中间的杆体6两部分，其杆头上有可与抽油杆接箍连接的外螺纹。

其中，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～14.0％，Cu：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。进一步优化方案为以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.40％，Si：2.0％～3.0％，B：2.0％～3.0％，Cr：7.0％～10.0％，Cu：7.0％～12.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。进一步的优化方案使得镍基合金涂层的性能明显优于其他方案，更能满足本发明的需要。本发明的上述方案中镍基合金涂层的组成中去除了一些镍基合金粉末中经常添加的钼元素，从而降低了成本，并且也简化了加工的工艺。

以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％～0.18％，Si：0.50％～1.80％，Mn：0.50％～1.50％，Cr：0.80％～1.9％，Nb：0.03％～0.06％，Ti：0.01％～0.06％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。进一步优化方案为以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％～0.14％，Si：0.90％～1.30％，Mn：0.80％～1.30％，Cr：1.40％～1.70％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.02％～0.04％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。进一步优化的方案使得基材的性能明显优于其他的方案，使得基材的性能得到明显的提高。

在本发明中所述基材与所述镍基合金涂层之间在涂层热喷焊加工过程中相互渗透形成渗透层。所述渗透层的厚度为1μm～10μm。该渗透层厚度的确定主要基于以下两点：一是厚度小于1μm时，由于渗透层太薄工艺控制难度较大，对于类似光杆这类柔性长杆，会出现在杆体局部产生没有形成渗透的缺陷点的可能，使得基体与涂层在该类点处的结合强度大打折扣，使用中会出现涂层掉皮的可能；二是厚度大于10μm时，由于涂层需要较长的高温加热时间来保证渗透层的充分形成，不仅浪费能源，同时也会使基材的硬化层厚度超出合理范围，会不同程度损害光杆的疲劳性能。因此，本发明确定的这种渗透层厚度使得基材和镍基合金涂层之间的结合可以更好地兼顾结合强度和光杆的性能。所述镍基合金涂层的厚度为0.10mm～0.50mm。具体的数值可以选用0.10mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm，这种厚度的镍基合金涂层能够充分满足本发明的需求，达到比较好的效果。而本发明的抽油光杆的表面粗糙度R_a小于等于0.6μm，从而减少抽油光杆的摩擦，降低抽油光杆的磨损，延长使用寿命。所述镍基合金涂层的硬度为25HRC～38HRC，该硬度范围的确定主要基于兼顾涂层的力学性能和耐磨性能，硬度太低其耐磨性能会大幅下降从而不足以形成对基材的有效保护，硬度太高又会使其涂层的脆性加大抗裂纹能力降低。所述基材的截面中心硬度为35HRC～47HRC，该硬度的确定主要基于兼顾该特定光杆基材的力学性能和疲劳性能，硬度太低其抗拉强度和疲劳强度都难以满足实际需求，硬度太高又会出现抗拉强度很高但疲劳性能开始显著下降的问题。出于以上原因，最终确定了本发明对镍基合金涂层和基材的硬度要求，使得本发明能够更好的适用相关标准的要求，达到比较好的性能。

实施例1：

一种抽油光杆，包括基材1和喷焊于所述基材1表面的镍基合金涂层2，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0.30％，Si：3.0％，B：2.0％，Cr：10.0％，Cu：12.0％，Fe：3.0％，余量为镍。以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.13％，Si：1.30％，Mn：0.95％，Cr：1.60％，Nb：0.04％，Ti：0.02％，Mo：0.2％，Ni：0.2％，S：0.010％，P：0.007％，余量为铁。本发明的抽油光杆的制备工艺流程为：冷拔-镦粗-整杆正火-整杆回火-机加工-镍基合金涂层热喷涂和重熔等热处理-涂层表面打磨抛光。

实施例2：

一种抽油光杆，包括基材1和喷焊于所述基材1表面的镍基合金涂层2，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0.40％，Si：2.5％，B：3.0％，Cr：8.0％，Cu：9.0％，Fe：2.0％，余量为镍。以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.14％，Si：1.00％，Mn：1.25％，Cr：1.40％，Nb：0.03％，Ti：0.04％，Mo：0.1％，Ni：0.15％，S：0.008％，P：0.010％，余量为铁。本发明的抽油光杆的制备工艺流程为：冷拔-镦粗-整杆正火-整杆回火-机加工-镍基合金涂层热喷涂和重熔等热处理-涂层表面打磨抛光。

实施例3：

一种抽油光杆，包括基材1和喷焊于所述基材1表面的镍基合金涂层2，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0.10％，Si：2.2％，B：2.5％，Cr：7.5％，Cu：7.0％，Fe：5.0％，余量为镍。以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.17％，Si：0.60％，Mn：0.80％，Cr：1.70％，Nb：0.06％，Ti：0.03％，Mo：0.15％，Ni：0.2％，S：0.010％，P：0.005％，余量为铁。本发明的抽油光杆的制备工艺流程为：冷拔-镦粗-整杆正火-整杆回火-机加工-镍基合金涂层热喷涂和重熔等热处理-涂层表面打磨抛光。

实施例4：

一种抽油光杆，包括基材1和喷焊于所述基材1表面的镍基合金涂层2，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0.70％，Si：3.5％，B：3％，Cr：5.5％，Cu：14.0％，Fe：4.0％，余量为镍。以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％，Si：0.90％，Mn：0.60％，Cr：0.90％，Nb：0.05％，Ti：0.05％，Mo：0.2％，Ni：0.2％，S：0.005％，P：0.007％，余量为铁。本发明的抽油光杆的制备工艺流程为：冷拔-镦粗-整杆正火-整杆回火-机加工-镍基合金涂层热喷涂和重熔等热处理-涂层表面打磨抛光。

按照油田抽油杆/光杆力学性能检验的通用办法，在本发明实施例中的MC光杆试样中部任意位置截取长度400mm左右的试样进行拉伸和弯曲试验，结果如下：

在实验室环境下采用WE-1000型液压万能试验机对以上实施例中的抽油光杆进行了拉伸性能评价，具体如下表1所示。结果表明，本发明的抽油光杆不仅满足行标SY/T5029-2006对HL抽油光杆关于延伸率和断面收缩率等塑性指标的规定，其抗拉强度还超过了其标准要求，体现了其更高的承载能力。

表1

在实验室环境下按照GB/T14452-1993《金属弯曲力学性能试验方法》要求，对目前油田常用的20CrMo镍基涂层喷焊抽油光杆试样(以下简称20CrMo试样)和本发明实施实例中的试样(以下简称MC试样)进行了抗弯试验对比，结果发现本发明的MC试样的抗弯强度比20CrMo试样提高31％，同时对比弯曲试验后的试样可以发现，20CrMo试样的折弯程度远大于MC试样，而且弯曲试验过程中在试样表面产生的裂纹数量和长度上也差别较大，在20CrMo试样表面涂层上有3到5条长度超过试样圆周一半的大裂纹和10条以上长度不超过试样圆周1/4的短裂纹，而在MC试样表面则只有1到2条长度超过试样圆周一半的大裂纹，同时短裂纹的数量通常在6到7条左右。以上结果表明，本发明的MC抽油光杆具有较好的抗弯性能和抵制裂纹产生的能力，可以保证其在使用过程中具有更好的抗弯性能和使用寿命。

可见，本发明中的MC抽油光杆具有很好的综合力学性能，不仅使抗拉强度得到了显著提高，再加上其表面的镍基合金涂层具有优异的耐磨耐蚀性能和较好的抗弯性能，使本发明的抽油光杆可以很好地满足油田高载荷和磨损腐蚀的服役环境。

Claims

1.一种抽油光杆，其特征在于：包括基材和喷焊于所述基材表面的镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～14.0％，Cu：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍，以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％～0.18％，Si：0.50％～1.80％，Mn：0.50％～1.50％，Cr：0.80％～1.9％，Nb：0.03％～0.06％，Ti：0.01％～0.06％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。

2.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：所述基材与所述镍基合金涂层之间相互渗透形成渗透层。

3.如权利要求2所述的一种抽油光杆，其特征在于：所述渗透层的厚度为1μm～10μm。

4.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述镍基合金涂层的组成为：C：0％～0.40％，Si：2.0％～3.0％，B：2.0％～3.0％，Cr：7.0％～10.0％，Cu：7.0％～12.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

5.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述基材的组成为：C：0.10％～0.14％，Si：0.90％～1.30％，Mn：0.80％～1.30％，Cr：1.40％～1.70％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.02％～0.04％，Mo≤0.2％，Ni≤0.2％，S≤0.025％，P≤0.025％，余量为铁。

6.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金涂层的厚度为0.10mm～0.50mm。

7.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：表面粗糙度R_a小于等于0.6μm。

8.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金涂层的硬度为25HRC～38HRC。

9.如权利要求1所述的一种抽油光杆，其特征在于：所述基材的截面中心硬度为35HRC～47HRC。