CN101571034B - 一种抽油杆喷焊接箍 - Google Patents
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Abstract
一种抽油杆喷焊接箍，包括基体，其为圆柱体，中部设有方颈平面，中心设有一轴向内螺纹通孔，其特征在于，采用喷焊工艺在所述基体外表面制备一层镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层由2％～6％的固体润滑颗粒与94％～98％的镍基合金粉末混合而成。本发明选取金属固体润滑颗粒以机械混合的方式添加到镍基合金粉末中，而不是采用常规的熔炼方式进行添加，是因为这几种金属颗粒本身都具有很好的自润滑性能，而且实验表明以机械混合的方式加入可以使这些金属润滑颗粒在磨损中向油管内壁的转移效应更明显一些，其自润滑效果在摩擦过程中体现得更好，从而实现对油管内壁的更好保护。
Description
技术领域
本发明涉及石油设备，更具体涉及一种抽油杆喷焊接箍。
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，随着接箍使用量的增加，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；而接箍对油管内壁的磨损严重时会导致油管穿孔，两者都会造成油井的停产，给油田带来很大的作业费用和产量减少。因此，如何同时解决接箍和油管的磨损是问题的关键。
目前，油田通过使用表面喷焊Ni60镍基合金粉末后的合金涂层接箍很好地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，但随之而来的新问题是使用该类接箍的油管出现了不同程度的磨穿。另外，还有一类喷焊涂层接箍在镍基合金中增加减摩元素，在一定程度上可以减少对油管内壁的磨损，如目前很多粉末厂商提供的Ni60CuMo系列，就是通过将一定量的Cu和Mo以冶炼制粉的方式均匀加入到喷涂粉末中使其自润滑效果得到了一定的提高。例如本发明镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法：
公开日为2007年1月17日。公开了一种双向保护抽油杆接箍，接箍的表面用热喷涂工艺喷涂一层涂层，厚度为0.26-0.6mm，涂层的成份为碳0.3-0.6％，硅3.5-4％，硼3.5-4％，铬15-16％，铜3-3.5％，钼3-3.5％，铁3-5％， 镍63.9-68.7％。该技术方案是通过改变粉末的配方，添加了润滑成分。但从使用效果看，发现此类改进后的合金涂层接箍依然存在一定比例磨穿油管的问题，特别是在井筒中的造斜段等情况出现较多。这表明只有通过新途径较好地解决喷焊合金涂层的自润滑问题，进一步降低这类合金喷焊涂层对油管内壁的磨损，才能更好地实现和保障有杆抽油井的长期安全生产。
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，提供一种具有较高耐腐蚀耐磨性能，以及减少接箍对油管的磨损的抽油杆喷焊接箍。
按照本发明提供的一种抽油杆喷焊接箍，包括基体，其为圆柱体，中部设有方颈平面，中心设有一轴向内螺纹通孔，其特征在于，采用喷焊工艺在所述基体外表面制备一层镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层由2％～6％的固体润滑颗粒与94％～98％的镍基合金粉末混合而成。
按照本发明提供的一种抽油杆喷焊接箍还具有如下附属技术特征：
所述固体润滑颗粒是指金属Cu、Mo和金属Sn的混合体。
以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：0.1％～4％，Mo：0.1％～3％，Sn：0.1％～2％。
以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：1.5％～3％，Mo：1.5％～3％，Sn：0.5％～1％。
以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.3％～1.0％，铬12％～20％，硅3.0％～5.5％，硼3.0％～5.5％，铁＜8％，余量为镍。
所述固体润滑颗粒的粒度为40μm～80μm。
所述镍基合金粉末的粒度为20μm～102μm。
所述镍基合金涂层厚度为0.25～1.00mm。
所述基体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。
所述固体润滑颗粒以机械混合的方式添加到镍基合金粉末中。
按照本发明提供的一种抽油杆喷焊接箍与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明选取金属固体润滑颗粒以机械混合的方式添加到镍基合金粉末中，而不是采用常规的熔炼方式进行添加，是因为这几种金属颗粒本身都具有很好的自润滑性能，而且实验表明以机械混合的方式加入可以使这些金属润滑颗粒在磨损中向油管内壁的转移效应更明显一些，其自润滑效果在摩擦过程中体现得更好，从而可以实现对油管内壁的更好保护。
2、本发明中固体润滑颗粒混合体的含量在2％～6％范围内，目的是在保证涂层成本提高较小的前提下，有效解决不同井况条件下的自润滑问题。颗粒粉末的粒度选为40μm～80μm是因为：一是该粒度范围属于镍基合金粉末的粒度范围，可以实现与镍基合金粉末的均匀混合和正常喷涂，二是该粒度范围的适当缩小保证了固体润滑颗粒在涂层中的润滑效果得到最佳体现。
3、本发明将金属Cu、Mo和Sn颗粒以粉末混合方式添加和粉末粒度范围缩小，在改善涂层喷焊工艺的同时，显著提高了接箍的自润滑性能，有效的减少了对油管内壁的磨损。同时，本发明将Cu、Mo和Sn按照比例混合带来的优点主要有两个方面，一是以Cu和Mo为主可以使涂层兼顾润滑性能和耐磨蚀性能，二是适量的Sn在不影响涂层质量的前提下可以更好地实现固体润滑颗粒在摩擦表面间的有效转移和减少表面固体润滑颗粒被井液冲刷带走的比例，进一步有效体现其自润滑性能。
4、由于固体润滑颗粒和镍基合金粉末都是金属粉末，因此在加热重熔过程中两种粉末的相互融合也不会有夹杂空隙等问题，确保了涂层的质量不受影响。
5、本发明选取普通镍基喷焊接箍用的Ni60合金粉末作为主体成分。本发明控制其质量百分含量占混合粉末的94％～98％，目的是保证该混合喷焊粉末具有很好的自熔性能和耐蚀耐磨性能，确保接箍本身的耐磨和耐蚀性能。Ni60合金粉末的粒度选为20μm～102μm是因为：粒度小于20μm会导致粉末在喷涂过程中向周围飞溅降低沉积率，而粒度大于102μm又会出现粉末内部熔不透等影响涂层质量的问题。
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杆喷焊接箍的实施例，包括基体1，其为圆柱体，中部设有两个方颈平面3，两方颈平面相互平行，用于扳手卡装使用。中心设有一轴向内螺纹通孔4，采用喷焊工艺在所述基体1外表面制备一层镍基合金涂层2。以质量百分比计所述镍基合金涂层由2％～6％的固体润滑颗粒与94％～98％的镍基合金粉末混合而成。以质量百分比计所述固体润滑颗粒可为2％、4％、5.5％或6％。以质量百分比计所述镍基合金粉末94％、94.5％、96％或98％。本实施例的镍基合金涂层中形成固体润滑颗粒，这种固体润滑颗粒是不能采用传统的冶炼治粉方式添加到镍基合金粉末中而实现，这与现有技术存在根本不同。而本实施所述固体润滑颗粒以机械混合的方式添加到镍基合金粉末中，使得所述固体润滑颗粒以颗粒状存在于所述镍基合金涂层中，这样可以使固体润滑颗粒在磨损过程中转移到油管内壁摩擦表面形成保护和减少油管磨损。
所述固体润滑颗粒是指金属Cu、Mo和金属Sn的混合体，以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：0.1％～4％，Mo：0.1％～3％，Sn：0.1％～2％。进一步的优选实施例方式为以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：1.5％～3％，Mo：1.5％～3％，Sn：0.5％～1％。设置该范围带来的优点主要有两个方面，一是以Cu和Mo为主可以使涂层兼顾润滑性能和耐磨蚀性能，二是适量的Sn在不影响涂层质量的前提下可以更 好地实现固体润滑颗粒在摩擦表面间的有效转移和减少表面固体润滑颗粒被井液冲刷带走的比例，进一步有效体现其自润滑性能。
以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.3％～1.0％，铬12％～20％，硅3.0％～5.5％，硼3.0％～5.5％，铁＜8％，余量为镍。本实施例的所述镍基合金粉末采用的是Ni60合金粉末。
所述固体润滑颗粒的粒度为40μm～80μm。该粒度范围的确定主要基于两点，一是该粒度范围属于镍基合金粉末的粒度范围，可以实现与镍基合金粉末的均匀混合和正常喷涂，二是该粒度范围的适当缩小保证了固体润滑颗粒在涂层中的润滑效果得到最佳体现。所述镍基合金粉末的粒度为20μm～102μm，是因为：粒度小于20μm会导致粉末在喷涂过程中向周围飞溅降低沉积率，而粒度大于102μm又会出现粉末内部熔不透等影响涂层质量的问题。选用该范围粒度的固体润滑颗粒可以充分的与镍基合金粉末进行混合，得到比较好的混合效果，利于喷焊，从而提高润滑效果。
所述基体1与所述镍基合金涂层2之间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，由于接箍为小尺寸零件，但涂层厚度相对较厚，要使渗透层较小，就存在涂层结合强度不够充分大的问题，会产生使用过程中掉皮的隐患；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，同时也会使基体的硬化层厚度超出合理范围，会破坏并严重影响基体原有的力学性能。这种渗透层使得基体和镍基合金涂层之间的结合更加紧密，从而进一步提高整体性能。
本发明镍基合金喷焊抽油杆接箍的制备方法：
A、将基体毛坯表面的油污清洗干净并吹干。
B、对基体毛坯表面进行喷砂除锈、粗化和活化。
C、将固体润滑颗粒和Ni60合金粉末按照确定的比例混合，并采用 机械方式均匀混粉。
D、在基体毛坯表面采用热喷焊工艺制备一层0.25～1.00mm厚度的镍基合金涂层。
E、喷焊结束后，对已经冷却的接箍进行外圆抛光，将其外圆表面与端面结合处倒角打磨圆滑，将扳手方颈平面处表面光洁度打磨至与外圆表面一致，平台倒角处圆滑过渡。
F、最后对接箍内腔攻丝得到本发明中的新型抽油杆喷焊接箍。
以下各个实施例的具体结构相同，这种接箍1是一圆柱体，该接箍1具有扳手方颈平面3，且两方颈平面相互平行，接箍1中部设有一轴向内螺纹通孔4，该接箍1外表面具有镍基合金涂层2。
实施例一，以质量百分比计该镍基合金涂层粉末由2％固体润滑颗粒与98％的Ni60合金粉末均匀混合而成，混合方式采用机械混合方式。喷焊的厚度为0.25mm。其中以质量百分比计固体润滑颗粒的组成为1％Cu、0.7％Mo和0.3％Sn。以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.35％，铬13％，硅3.5％，硼4.0％，铁3％，余量为镍。
实施例二，以质量百分比计该镍基合金涂层粉末由4％固体润滑颗粒与96％的Ni60合金粉末均匀混合而成，混合方式采用机械混合方式。喷焊的厚度为0.50mm。其中以质量百分比计固体润滑颗粒的组成为1.8％Cu、1.7％Mo和0.5％Sn。以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.5％，铬16％，硅3.0％，硼3.5％，铁5％，余量为镍。
实施例三，以质量百分比计该镍基合金涂层粉末由5.5％固体润滑颗粒与94％的Ni60合金粉末均匀混合而成，混合方式采用机械混合方式。喷焊的厚度为0.75mm。其中以质量百分比计固体润滑颗粒的组成为3.0％Cu、1.6％Mo和0.9％Sn。以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.8％，铬19％，硅4.0％，硼4.5％，铁7％，余量为镍。
在实验室条件下对以上三个实施事例中的喷焊层进行腐蚀和磨损性能评价。腐蚀试验在浓度1mol/L的HCl溶液和浓度3.5％的NaCl溶液中 进行132h不间断浸泡，结果表明，无涂层的45钢试样表面出现明显的锈蚀斑迹，腐蚀失重分别为210mg和8mg，而本发明中喷焊有镍基合金涂层的环试样表面基本没有变化，腐蚀失重分别为10mg和0mg，与油田目前常用的Ni60合金涂层喷焊接箍试样基本持平。由上可见，本发明的新型合金喷焊涂层可以显著地提高普通接箍的耐腐蚀性能，并与Ni60合金喷焊涂层具有同等的耐蚀性能。
磨损试验在MM-200型摩擦磨损试验机上进行，块试样采用N80油管钢，环试样为45钢基体表面喷焊0.25～1.00mm厚的涂层。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/Ni60涂层环摩擦副相比，实施例一、二、三中含固体润滑颗粒的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2倍，尤以实施例二效果最好，具体结果间表1(结果为以上三个实施实例的平均值)所示，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Cu和Sn金属颗粒的转移现象，表显出良好的润滑性能，对油管形成有效保护。
表1不同涂层摩擦副磨损量对比
Claims (7)
1.一种抽油杆喷焊接箍，包括基体，其为圆柱体，中部设有方颈平面，中心设有一轴向内螺纹通孔，其特征在于，采用喷焊工艺在所述基体外表面制备一层镍基合金涂层，以质量百分比计所述镍基合金涂层由2％～6％的固体润滑颗粒与94％～98％的镍基合金粉末混合而成，所述固体润滑颗粒以机械混合的方式添加到镍基合金粉末中，所述固体润滑颗粒是指金属Cu、金属Mo和金属Sn的混合体，以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：1％～4％，Mo：0.7％～3％，Sn：0.3％～2％。
2.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：以质量百分比计所述固体润滑颗粒的组成为：Cu：1.5％～3％，Mo：1.5％～3％，Sn：0.5％～1％。
3.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：碳0.3％～1.0％，铬12％～20％，硅3.0％～5.5％，硼3.0％～5.5％，铁＜8％，余量为镍。
4.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：所述固体润滑颗粒的粒度为40μm～80μm。
5.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：所述镍基合金粉末的粒度为20μm～102μm。
6.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：所述镍基合金涂层厚度为0.25～1.00mm。
7.如权利要求1所述的一种抽油杆喷焊接箍，其特征在于：所述基体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。
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