CN102031479A - 有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法 - Google Patents

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Abstract

有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，应用于连续管注入头夹持块半圆形凹面，即加持面进行增摩涂层的喷涂。利用热喷涂方法在夹持块的夹持面上喷涂增摩涂层，使用的喷涂料是WC-Co硬质合金粉末。效果是：能在夹持块夹持面喷涂增摩涂层。增摩涂层具有较大的摩擦系数，降低了相关液压系统夹持正压力，减小了夹持机构对连续管的损伤、变形等破坏性，夹持性能优异。增摩涂层显微硬度达到HV1100～1200，有利于保持摩擦系数的稳定和保证使用寿命。涂层孔隙率＜1.5％，能克服基体金属的腐蚀导致增摩涂层剥落。

Description

有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法
技术领域
本发明涉及油田连续管作业专用工具，特别涉及一种连续管注入头的夹持块，是一种夹持块表面爆炸喷涂处理的方法。
背景技术
油田在钻井、测井或修井作业中，有人使用连续管进行施工。连续管缠绕在滚筒上，施工时通过井口上部的连续管导向器和注入头将连续管下入井内。连续管注入头的主要功能是卡紧连续管并将连续管注入井内或抽取出连续管。连续管注入头上有夹持块。参阅图1。夹持块1为长方体形，在夹持块1的一个表面是半圆形凹面(半圆弧形凹槽)，半圆弧形凹槽是夹持连续管2表面的夹持面，两个夹持块1相对能夹紧连续管2外壁，防止连续管2和夹持块1之间产生相对滑动。下入井内的连续管2长度越长需要注入头夹持力越大，保证连续管不下滑。
通过不断尝试，对夹持块半圆弧形凹槽表面进行不同的表面处理或改变夹持块表面的结构形式，达到增加夹持块夹持性能。目前制造的夹持块的半圆形凹面表面有采用光面，也有在夹持块半圆弧形凹槽表面进行刻槽处理。未经表面处理的夹持面是光面形式的夹持块与连续管之间的摩擦系数较小，要悬挂井下连续管就必须加较大的横向正压夹持力。连续管受夹持块挤压容易产生变形，并且夹持块与连续管的接触面在导入导出连续管过程中本身也很容易被磨损，而此时钢与钢的摩擦系数仅为0.15，既降低了夹持块的夹持性能又降低了夹持块的使用寿命。国内对刻槽处理的夹持块也曾做过相关的夹持研究试验，发现刻槽处理的夹持块的试验摩擦系数比光面夹持块摩擦系数更低0.1左右。
目前热喷涂技术已经广泛应用，热喷涂包括电弧喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂。爆炸喷涂的层结合强度高、致密性好；工件受热小，工件不会发生相变及形变。爆炸喷涂方法是一种比较成熟的表面处理技术，已经应用于形成表面强化涂层，修复多种零件表面。燃气重复爆炸喷涂(简称爆炸喷涂)的喷涂颗粒速度高达800～1200m/s，其结合强度高，涂层致密性好，爆炸喷涂工艺过程中，工件表面温升在180～260℃以下，造成工件回火软化和热变形及残余热应力较小，在工业生产中已有应用。
如中国专利公开号：CN101116900，提供了“一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法”。对结晶器铜板或铜合金板表面爆炸喷涂，将金属陶瓷喷涂粉末直接喷涂在结晶器铜板或铜合金板表面，形成表面强化涂层，金属陶瓷喷涂粉末由合金与碳化物组成，优选为Ni-Cr合金与Cr3C2组成。强化涂层与铜或铜合金基体间的结合性能较好，适用于结晶器的工作环境，不需要制备中间过渡涂层，简化结晶器的制造和修复，降低了成本。适用于铜或铜合金表面的强化与修复。又如中国专利公开号：CN1600820A，提供了“一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉体的制备及应用”。热喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC-Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成。热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60um，粉体的流动性好。
发明内容
本发明的目的是：提供一种有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，利用热喷涂方法在夹持块的夹持面上喷涂增摩涂层，增大夹持块表面的摩擦系数，使夹持块具有良好的摩阻性能。提高夹持块的夹持性能及使用寿命、降低连续管的损伤和变形。
本发明采用的技术方案是：有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征在于：利用热喷涂方法在夹持块的夹持面上喷涂增摩涂层，使用的喷涂料是WC-Co硬质合金粉末。
所述的热喷涂方法是：爆炸喷涂、超音速喷涂或等离子喷涂。
所述的采用WC-Co硬质合金粉末是粗粒度喷涂粉末，WC-Co金属陶瓷喷涂粉末的粒度在200～500目之间。以提高夹持块夹持面增摩涂层的摩擦系数，提高夹持块夹持油管的性能。选择适当粗的粉末粒度有利于提高增摩涂层表面粗糙度，进而提高增摩涂层的摩阻性能。而过于粗的粉末粒度则会导致涂层孔隙率过高，会降低增摩涂层的耐腐蚀性能；过于细的粉末粒度则会导致涂层孔隙率过低，会降低增摩涂层表面的摩擦系数，降低夹持力。
所述WC-Co硬质合金粉末中，按质量百分数计Co含量为12％，提高涂层的粘结润湿性。
为提高增摩涂层的耐磨性能，增摩涂层厚度在0.18～0.25mm之间。能提高增摩涂层的使用寿命防止增摩涂层腐蚀剥落，采用双重涂层结构设计的增摩涂层。
有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备过程：
A、喷涂前准备：(1)对夹持块喷涂前外形尺寸检测，特别是检测夹持块夹持面半圆形凹面半径，并记录；(2)夹持块夹持面喷涂前表面进行清洗并除掉表面油污；(3)对夹持块夹持面进行喷砂处理，使夹持块夹持面粗糙化。
B、喷涂：将夹持块固定在喷涂装置上，由于夹持块的夹持面是半圆形凹面，为了喷涂均匀，所述的热喷涂喷枪的喷嘴垂直对准夹持块夹持面的待喷涂部位，横向喷涂完一遍后，喷枪纵向下或向上移动15～20mm，同时夹持块以半圆形凹面的中心线为轴旋转15～60°，保证喷枪下移后的横向待喷涂面与喷枪焰流垂直。喷涂中采用横向喷涂、喷枪纵向移动和夹持块配合旋转。横向喷涂是从夹持块夹持面的一端开始，喷枪垂直对准夹持块夹持面喷涂，喷枪沿夹持块夹持面半圆形凹面的中心线平行移动到另一端，完成一横排喷涂；横向喷涂一横排后喷枪纵向下或向土移动15～20mm，同时夹持块配合旋转15～60°，喷枪垂直于下一部分的待喷涂面，再进行下一横排喷涂；直至完成夹持块整个夹持面上涂层的均匀喷涂达到设计涂层厚度为止。
C、喷涂后检验：对夹持块喷涂后外形尺寸检测，特别是检测夹持块夹持面半圆柱形面涂层的均匀性和喷涂增摩涂层表面粗糙度，并记录；完成有增摩涂层的连续管注入头夹持块的制作。
本发明的原理：利用热喷涂技术特别是爆炸喷涂或超音速火焰喷涂技术的高温火焰熔化熔点在1800℃的WC-Co硬质合金粉末，使粉末粒子形成液固两相状态并高速将其喷射在夹持块夹持基体表面制备成增摩涂层。在这种增摩涂层中WC硬质材料颗粒均匀弥散分布在涂层中形成弥散强化复合材料，由WC硬质颗粒阻止滑移运动而显示高的摩擦系数和耐磨性，而Co金属材料则提供涂层自身结合强度和粘结强度等必需的力学性能。利用热喷涂高速喷涂的增摩涂层结合强度可达到60～100MPa，显微硬度能够达到HV1200左右，表面摩擦系数μ能够达到0.5以上。
本发明的有益效果：本发明有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，能在夹持块夹持面喷涂增摩涂层。
①增摩涂层粗糙度达到Ra3.2以上。具有较大的摩擦系数的表面粗糙度，摩擦系数能够达到0.5，降低了相关液压系统夹持正压力，减小了夹持机构对连续管的损伤、变形等破坏性，夹持性能优异。
②夹持块增摩涂层致密、结合强度好，涂层结合强度大于60MPa。在夹持块工作时抗剪切破坏能力强。
③增摩涂层显微硬度达到HV1100～1200。硬度越高，耐磨性能越好，有利于保持摩擦系数的稳定和保证使用寿命。
④涂层孔隙率＜1.5％。增摩涂层低孔隙率能够有效防止腐蚀介质渗入夹持块基体，克服对基体金属的腐蚀导致增摩涂层剥落。
附图说明
图1是两个夹持块相对，夹持连续管的横剖面示意图。
图2是本发明利用喷枪对夹持块的夹持面进行喷涂的示意图。
图3是夹持块1旋转和喷枪3移动过程示意图。
图中，1.夹持块，2.连续管，3.喷枪。
具体实施方式
实施例1：以采用爆炸喷涂方法进行有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备为例，对本发明作进一步详细说明。
A、喷涂前准备：(1)对夹持块喷涂前外形尺寸检测，检测夹持块加工尺寸是否符合图纸尺寸技术要求。检测夹持块夹持面半圆柱形凹面半径19.23mm，表明需要喷涂层厚度达到0.18mm，并记录；(2)喷涂前对夹持块的夹持面(半圆形凹面、喷涂表面)用丙酮清洗，去除油污和其他污染物，非喷涂面采用工装保护好非喷涂部位。(3)喷砂采用20～40目棕刚玉砂粒喷砂，喷砂的压缩空气压力为0.6MPa。夹持块的夹持面表面均匀喷砂至显露白色金属基体光泽，检查基体喷砂面无漏光现象，即在内半圆形夹持面上放上相同直径的标准检测棒，检测漏光缝隙宽度的均匀性；喷砂后表面粗糙度达到Ra8。喷砂过的夹持块表面需用洁净手套搬运装夹，保证喷砂表面的清洁防止污染。
B、喷涂：将夹持块固定在喷涂装置上，由于夹持块的夹持面是半圆形凹面，为了喷涂均匀，热喷涂喷枪的喷嘴垂直对准夹持块夹持面的待喷涂部位，横向喷涂完一遍后，喷枪纵向下移准备进行下一横排的喷涂，同时夹持块以半圆形凹面的中心线为轴旋转30°，喷枪下移后的横向待喷涂面与喷枪焰流垂直。喷涂中采用横向喷涂、喷枪纵向移动和夹持块配合旋转。横向喷涂是从夹持块夹持面的一端开始，喷枪垂直对准夹持块夹持面喷涂，喷枪沿夹持块夹持面半圆形凹面的中心线平行移动到另一端，纵向移动时喷枪行走速度500mm/min。横向喷涂一横排后喷枪纵向下移动20mm，夹持块旋转30°角度后，进行下一横排喷涂，直至完成整个夹持面的涂层均匀喷涂；选择WC-12Co硬质合金粉末进行爆炸喷涂。其中Co的含量为12％，粉末粒度为250～325目。WC-12Co硬质合金粉末的生产厂家是无锡市新科表面工程材料有限公司、产品代号是MA8812。爆炸喷涂的燃料组分比是O2：2.5、C2H2：2.0、N2：0.8；喷枪喷口与夹持块夹持面之间的垂直距离是：170mm。
C、喷涂后检验：对夹持块喷涂后涂层厚度均匀性检测，用相同直径的标准检测棒，检测漏光缝隙宽度的均匀性，用涂层测厚仪检测增摩涂层厚度达到0.18mm。喷涂增摩涂层表面粗糙度达到Ra6以上，孔隙率低于3％，显微硬度达到HV1200。完成有增摩涂层的连续管注入头夹持块的制作。
实施例2：实施例2与实施例1不同之处在于：采用超音速喷涂，采用两种不同粒度的WC-12Co硬质合金粉末，分两层喷涂。WC-12Co硬质合金粉末分别为200～250目和325～500目两种。
先用325～500目的WC～12Co硬质合金粉末在夹持块夹持面上横向超音速喷涂每一横排喷涂后，喷枪纵向移动20mm，夹持块随工装旋转30°角度，再进行下一横排喷涂，完成第一层夹持面的均匀喷涂，涂层厚度为0.18mm的涂层。超音速喷涂工艺采用：O2：2000SCFH，Fuel(航空煤油)：22.8L/h，送粉载气：12.8L/min，送粉率：85g/min，枪管长度：152.4mm，喷枪喷口与夹持块夹持面之间的距离是：380mm。该喷涂层结构致密，耐磨耐腐蚀性能优异，涂层喷涂态粗糙度为Ra3.2，该涂层结构设计主要为耐腐蚀性考虑。
再用200～250目WC-12Co硬质合金粉末在前期0.18mm厚度涂层上以相同的喷涂方式均匀覆盖喷涂厚度为0.09mm的涂层。超音速喷涂工艺采用：O2：1900SCFH，Fuel(航空煤油)：19.3L/h，送粉载气：12.8L/min，送粉率：85g/min，枪管长度：101.6mm，喷枪枪口与夹持块夹持面之间的距离是：380mm。该涂层表面粗糙度高，喷涂态粗糙度可达到Ra5以上，主要起耐磨和增摩作用。最终涂层厚度为0.27mm，底层0.18mm厚度的涂层结构致密具有良好的耐腐蚀性，而表层0.09mm厚度的涂层具有较高粗糙度，能提供良好的增摩作用。

Claims (6)

1.一种有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征在于：利用热喷涂方法在夹持块的夹持面上喷涂增摩涂层，使用的喷涂材料是WC-Co硬质合金粉末。
2.根据权利要求1所述的有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征是：所述的热喷涂方法是：爆炸喷涂、超音速喷涂或等离子喷涂。
3.根据权利要求1所述的有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征是：所述的采用WC-Co硬质合金粉末是粗粒度喷涂粉末，WC-Co金属陶瓷喷涂粉末的粒度在200～500目之间。
4.根据权利要求1所述的有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征是：所述WC-Co硬质合金粉末中，按质量百分数计，Co含量为12％。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征是：增摩涂层厚度在0.18～0.25mm之间。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的有增摩涂层的连续管注入头夹持块制备方法，其特征是：喷涂过程包括：喷涂前准备、喷涂和喷涂后检验。
A、喷涂前准备：(1)对夹持块喷涂前外形尺寸检测，特别是检测夹持块夹持面半圆形凹面的半径，并记录；(2)夹持块夹持面喷涂前表面进行清洗并除掉表面油污；(3)对夹持块夹持面进行喷砂处理，使夹持块夹持面粗糙化。
B、喷涂：将夹持块固定在喷涂装置上，由于夹持块的夹持面是半圆形凹面，为了喷涂均匀，所述的热喷涂喷枪的喷嘴垂直对准夹持块夹持面的待喷涂部位，横向喷涂完一遍后，喷枪纵向下或向上移动15～20mm，同时夹持块以半圆形凹面的中心线为轴旋转15～60°，保证喷枪下移后的横向待喷涂面与喷枪焰流垂直。喷涂中采用横向喷涂、喷枪纵向移动和夹持块配合旋转。横向喷涂是从夹持块夹持面的一端开始，喷枪垂直对准夹持块夹持面喷涂，喷枪沿夹持块夹持面半圆柱形凹面的中心线平行移动到另一端，完成一横排喷涂；横向喷涂一横排后喷枪纵向下或向上移动15～20mm，同时夹持块配合旋转15～60°，喷枪垂直于下一部分的待喷涂面，再进行下一横排喷涂；直至完成夹持块整个夹持面上涂层的均匀喷涂达到设计涂层厚度。
C、喷涂后检验：对夹持块喷涂后外形尺寸检测，特别是检测夹持块夹持面内半圆形面涂层的均匀性和喷涂增摩涂层表面粗糙度，并记录；完成有增摩涂层的连续管注入头夹持块的制作。
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