CN102071884A

CN102071884A - 一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器

Info

Publication number: CN102071884A
Application number: CN 201110027978
Authority: CN
Inventors: 李良川; 黄锦滨; 田斌; 刘斌; 付小坡
Original assignee: TIELING MILER OIL NEW MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102071884B

Abstract

一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，包括芯杆和滑套，芯杆为空心圆柱体，中心设有一轴向通孔，通孔中设置有适于与抽油杆外螺纹配合的内螺纹，滑套包括钢质本体和自润滑合金涂层，自润滑合金涂层由2%～6%质量百分含量的固体润滑颗粒与94%～98%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成，固体润滑颗粒是由MoS₂和WS₂均匀混合而成，以质量百分比计铁镍合金粉末的成分组成为：碳0.5%～1.1%，铬10%～20%，硅1.5%～5.5%，硼1.0%～4.5%，铁25%～55%，余量为镍。本发明中的扶正器具有优异的耐蚀耐磨和自润滑性能，可以显著减少镍的使用和降低成本，使用寿命和允许工作温度大幅提高，可以很好地实现长时间对抽油杆的扶正和保护，以及减少对油管的磨损。

Description

一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器

技术领域

本发明涉及石油设备，更具体涉及一种新型柱状扶正器。

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，通过抽油杆向抽油泵传递动力来抽取原油，由于油井较深以及斜井等原因导致抽油杆会与油管内壁接触和摩擦，一段时间后会导致抽油杆偏磨和断脱的产生，从而导致油井不能正常运行。为了解决以上抽油杆偏磨问题，油田广泛采用扶正器的办法，即通过在两根相邻抽油杆之间或在抽油杆上加装扶正器来避免或减少抽油杆的偏磨。由于扶正器的外径比抽油杆和抽油杆接箍都要大，因此它会优先与油管内壁接触而避免了抽油杆与油管内壁的接触，从而对抽油杆形成保护。但随着油井深度的加大，使用环境温度的提高，油井中腐蚀介质的增加，较大弯曲和倾斜井的出现，原有的扶正器的局限越来越多。以油田目前最常见的使用较多的柱状扶正器为例，其滑套扶正件大都使用尼龙等材料，耐热温度有限，与油管的摩擦系数较大造成较大摩擦阻力，由于容易在较短时间被磨损导致其对抽油杆偏磨的改善效果有限，而且需要经常更换。

扶正器采用钢质滑套可以不受使用温度的限制，但其磨损腐蚀性能和对油管的磨损是一个急需解决的问题。现在少数厂家将镍60等镍基合金粉末用于扶正器滑套上，较好地改善了柱状扶正器的滑套的磨损和腐蚀性能，但对油管内壁的磨损保护效果较为有限。另外，镍基粉末的成本较高，而且其腐蚀性能远超出实际所需，产生极度浪费。在合金粉末中添加一定量的固体润滑剂可以进一步提高对油管的保护效果，但需要选择适合的固体润滑剂。单独添加较多Ag或Cu等金属固体润滑剂，由于熔炼和成本等问题，以及对润滑效果改善有限，难以大范围推广；石墨等非金属固体润滑剂虽然其润滑效果较好，但会对涂层的整体质量产生坏的影响，如与基体结合力下降或者表面裂纹增加，也难以在实际中应用。可见，要想很好地解决以上问题，就必须同时从显著降低现有镍基合金粉末的成本和找到一种润滑性能优异且易于实际推广的固体润滑材料两个途径来解决。

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蚀耐磨性能，结构简约，设计合理，成本较低，易于推广，可以很好地实现长时间对抽油杆的扶正和保护以及减少对油管的磨损的柱状接箍复合型抽油杆扶正器。

按照本发明提供的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，包括芯杆和套装在所述芯杆上的滑套，所述芯杆为空心圆柱体，中心设有一轴向通孔，所述通孔中设置有适于与抽油杆外螺纹配合的内螺纹，所述滑套包括钢质本体和位于所述本体表面的自润滑合金涂层，所述自润滑合金涂层由2%～6%质量百分含量的固体润滑颗粒与94%～98%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成，所述固体润滑颗粒是由MoS₂和WS₂均匀混合而成，以质量百分比计所述铁镍合金涂层的成分组成为：碳0.5%～1.1%，铬10%～20%，硅1.5%～5.5%，硼1.0%～4.5%，铁25%～55%，余量为镍。

按照本发明提供的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器还具有如下附属技术特征：

所述固体润滑颗粒中MoS₂和WS₂的质量百分含量比例为3：1，粒度为40μm～80μm。

以质量百分比计所述铁镍合金涂层粉末的成分组成为：碳0.5%～1.1 %，铬15%～20%，硅3.5%～5.0%，硼2.5%～3.5%，铁 35%～50%，余量为镍。

所述铁镍合金涂层按照粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。

所述自润滑合金涂层的厚度为0.1mm～0.5mm。

所述自润滑合金涂层的硬度为30HRC～50HRC，所述自润滑合金涂层的表面粗糙度Ra为0.1～0.2μm。

所述滑套的外圆面与所述端面的连接部位为圆弧过渡，所述自润滑合金涂层位于所述圆弧过渡的连接部位上。

所述芯杆的一端设有适于与扳手配合的方颈平台。

所述芯杆的另外一端安装有固定套环，所述滑套位于所述方颈平台的侧壁与所述固定套环形成的空间中，并与所述方颈平台的侧壁或所述固定套环之间形成间隙。

所述滑套为多节结构，各节之间相互隔开。

按照本发明提供的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器与现有技术相比具有如下优点：

1.通过该铁镍合金涂层中各合金元素的调整，使得滑套涂层硬度与油管硬度的配比更加合理；通过Cr、B、Si等元素的适当比例，确保了该铁镍合金涂层具有良好而稳定的自熔性；通过在铁镍合金涂层中引入软质固体润滑颗粒，可以与涂层中的硼化物和硅化物等硬质颗粒相互配合，使涂层的润滑性能得到进一步改善，在扶正器滑套自身磨损较小的前提下，有效减少扶正器对油管内壁的磨损。

2.通过调整该铁镍合金涂层中镍和铁元素成分的含量，提高铁的含量，明显降低了镍的含量，显著降低了合金粉末的成本，同时使该新型扶正器的涂层耐腐蚀性能得到充分的体现，实现了物尽其用，节约了重要金属资源，也显著降低了合金粉末和扶正器的成本。

3.本发明中的自润滑合金涂层润滑性能优异且长效。采用MoS₂和WS₂的混合物作为固体润滑颗粒的主要原因是：首先，MoS₂和WS₂均为密排六方层片状结构，都是性能优异的固体润滑材料，在摩擦过程中可以通过层间滑移和摩擦表面的涂抹转移，很好地实现减摩润滑作用；其次，两者均具有较好的承载能力和耐腐蚀能力，适应扶正器的井下工况环境；三是，两者的配合比例保证了其长效的润滑效果和成本，MoS₂是使用最为广泛的固体润滑材料之一，成本相对较低，但在潮湿环境下易氧化而使润滑性能有所降低，且本身的耐磨性能相对较差，润滑效果会随时间有不同程度的降低，WS₂同样是一种性能优异的固体润滑材料，虽然成本较高，但其不仅润滑性能优异，而且自身的耐磨性能也很优异，可以长时间保证其润滑作用，将MoS₂和WS₂两者按实验确定的特定比例结合使用，较高比例的MoS₂使得成本相对较低，而适当比例的WS₂则确保固体润滑剂效果的长时间作用，从而兼顾固体润滑剂的成本和润滑作用的长效。

4.涂层表面极低的粗糙度保证了滑套的自由旋转，进一步减小对油管内壁的摩擦，也可以避免个别恶劣工况下出现扶正器与油管内壁间的卡咬，实现对扶正器和油管的双重保护。

5.涂层倒角处的加工工艺要求滑套基体和制备涂层后都进行圆滑过渡处理，而不是只对涂层进行圆滑过渡处理，使得扶正器成品倒角处各个位置的涂层厚度得以保证，不会出现加工倒角处的涂层时露出基体的问题，这保证了在苛刻工况或特殊情况下，扶正器对油管内壁的长效保护。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明的剖视图。

图4是本发明中芯杆的剖视图。

图5是本发明中另一种实施例的剖视图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明给出的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，包括芯杆2和套装在所述芯杆2上的滑套3两部分。所述芯杆2为空心圆柱体，中心设有一轴向通孔4，所述通孔4中设置有适于与抽油杆外螺纹配合的内螺纹，所述滑套3包括钢质本体和位于所述本体表面的自润滑合金涂层5。该自润滑合金涂层由2%～6%质量百分含量的固体润滑颗粒与94%～98%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成。其中，固体润滑颗粒是指由MoS₂和WS₂按照3：1质量百分含量比例匀混合而成，粒度均为40μm～80μm。以质量百分比计所述铁镍合金涂层粉末的成分组成为：碳0.5%～1.1%，铬10%～20%，硅1.5%～5.5%，硼1.0%～4.5%，铁25%～55%，余量为镍。优选为：碳0.5%～1.1%，铬15%～20%，硅3.5%～5.0%，硼2.5%～3.5%，铁 35%～50%，余量为镍。其中碳具体可以选为0.5%、0.7%、0.9%、1.0%、1.1 %，铬具体可以选为10%、12%、15%、17%、18%、20%，硅具体可以选为1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，硼具体可以选为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、2.7%、2.9%、3.2%、3.5%、4.0%、4.5%，铁具体可以选为25%、30%、35%、37%、40%、42%、45%、48%、50%、55%。在本发明中，所有涉及到的组分比例均是指质量百分比。

本发明的滑套涂层成本较低，具有良好的耐磨耐蚀和自润滑性能，可以很好地保护油管。本发明从降低钢质滑套表面合金粉末成本以及保护油管两个角度出发，通过采用一种成本较低的新型高铁低镍合金粉末，以及引入一种长效固体润滑剂，制备了一种易于大范围推广使用的柱状接箍复合型抽油杆扶正器，实现了扶正器滑套寿命的延长和对油管的长效保护。

所述铁镍合金粉末中的铁的含量控制在25%～55%，从而将镍的含量控制在30%～45%，这是因为：镍含量少于30%，则涂层的耐腐蚀性能和自身的耐磨性能会显著降低；而镍含量大于45%，虽然其对涂层的耐腐蚀性能和自身的磨损性能改善显著，但其耐腐蚀性能就会形成明显浪费，远超出实际的需要，涂层的成本也会有明显提高，这与本发明的出发点相背。选用30%～45%的范围，可以兼顾铁镍合金涂层的成本、磨损性能和腐蚀性能。

所述固体润滑颗粒采用2%～6%的添加比例是为了兼顾合金涂层粉末的成本、耐磨性能和润滑性能，MoS₂和WS₂采用3：1的比例则是为了确保固体润滑剂的成本和长期润滑效果，而采用40μm ～80μm的粒度范围则是为了保证固体润滑颗粒的喷涂工艺性能。

所述铁镍合金粉末的粒度为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。从而本发明能够将所述自润滑合金涂层的硬度控制在30HRC～50HRC，所述自润滑合金涂层的表面粗糙度Ra控制在0.1～0.2μm，使其充分的满足需要。

所述铁镍合金涂层按照粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。也可以在市场上现有镍基粉末或铁基粉末的基础上通过添加或调整个别元素含量的方式加工。

本发明一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器的制备方法：

A、按要求分别加工芯杆和滑套基体，对芯杆内腔攻丝加工，并对滑套基体外圆面与端面之间进行倒角和圆滑过渡加工。

B、对套环基体毛坯表面进行喷砂除锈、粗化和活化。

C、在套环基体毛坯表面采用热喷涂-重熔工艺制备一层0.1mm～0.5mm厚度的耐磨耐蚀自润滑合金涂层。

D、喷焊结束后，对已经冷却的套环进行外圆抛光至Ra 0.1～0.2μm，将其外圆表面与端面结合处倒角打磨圆滑，进行圆弧过渡处理。

E、将滑套安装在芯杆中间并固定，即可得到本发明的柱状接箍复合型抽油杆扶正器。

为了更好的说明本发明的技术方案，列举下列三个实施例予以说明：

实施例一，参见图1、图2、图3和图4，所述芯杆2长度100mm，基本与普通接箍一致，其扳手方颈6一端8的外径与同规格接箍外径基本一致，中间部分9的外径少于扳手方颈6所在的一端8外径2mm，比固定套环7所在的一端10的外径高1mm。所述滑套3为空心圆柱体，外径比相同直径规格接箍的外径大4mm左右，其内孔与芯杆中心部位间有0.02mm的间隙，使其可以自由转动，滑套3表面制备有一层耐磨耐蚀自润滑合金涂层5，厚度在0.1mm。所述滑套3两端外圆面与端面的连接部位11采用圆弧过渡处理，所述自润滑合金涂层位于所述圆弧过渡的连接部位上。所述滑套3表面粗糙度0.2μm。所述滑套3位置固定是通过将滑套3装入芯杆2并顶置扳手方颈6一端侧面之后，在另一端加装套环7来固定的，套环7的外径与扳手方颈6一端外径一致，通过螺纹的形式进行套环7的安装，所述套环7在拧紧的同时，保证滑套3不被套环7夹紧，留有一定间隙，使其能够自由旋转。

以质量百分比计，该自润滑合金涂层由6%质量百分含量的固体润滑颗粒以及94%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成。其中固体润滑颗粒由4.5% MoS₂和1.5% WS₂混合而成，涂层厚度为0.1mm，涂层硬度为30HRC。

在本实施例中，以质量百分比计所述铁镍合金粉末的成分组成为：碳0.7%，铬15%，硅3%，硼2.5%，铁40%，镍为38.8%。按照上述粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。

实施例二，参见图1、图2、图3和图4，该实施例的结构与实施例一相同，不同之处在于尺寸上的差异、套环7的固定方式和涂层的组分。本实施例的具体结构为：所述芯杆2长度130mm，基本与普通接箍一致，其扳手方颈6所在的一端8的外径与同规格接箍外径基本一致，中间部分9的外径少于扳手方颈所在的一端8外径4mm，比固定套环7所在的一端10的外径高2mm。所述滑套3为空心圆柱体，外径比相同直径规格接箍的外径大10mm左右，其内孔与芯杆2中心部位间有0.10mm的间隙，使其可以自由转动，滑套表面制备有一层耐磨耐蚀自润滑合金涂层5，厚度在0.5mm。所述滑套3两端外圆面与端面的连接部位11采用圆弧过渡处理，所述自润滑合金涂层位于所述圆弧过渡的连接部位上。所述滑套3表面粗糙度0.8μm。所述滑套3位置固定是通过将滑套3装入芯杆2并顶置扳手方颈6所在的一端8侧面之后，在另一端10加装套环7来固定的，套环7的外径与扳手方颈6所在的一端8外径一致，通过热扣合的形式进行套环7的安装。所述套环7在固定的同时，保证滑套3不被套环7夹紧，留有一定间隙，使其能够自由旋转。

以质量百分比计，该自润滑合金涂层粉末由2%质量百分含量的固体润滑颗粒与98%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成。其中固体润滑颗粒由1.5% MoS₂和0.5% WS₂混合而成，涂层厚度为0.5mm，涂层硬度为50HRC。

在本实施例中，以质量百分比计所述铁镍合金粉末的成分组成为：碳0.9%，铬18%，硅4%，硼2.9%，铁37%，镍为37.2%。按照上述粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。

实施例三，参见图4和图5，所述芯杆2长度110mm，基本与普通接箍一致，其扳手方颈6所在的一端8的外径与同规格接箍外径基本一致，中间部分9的外径少于扳手方颈所在一端8外径3mm，比固定套环所在的一端10的外径高1.6mm。参见图5，所述滑套3为多节结构，各节之间相互隔开，多节结构的设计能够保证滑套3即使在单节滑套出现砂卡时其他各节也能自由旋转。本实施例为3节，当然还可以为2节、4节等。各节之间可以通过垫片12相互隔开，也可以通过其他的部件隔开，目的使得各节能够独立旋转。每节滑套3的外径比相同直径规格接箍的外径大4mm左右，其具有的内孔与芯杆2中心部位间有0.05mm的间隙，使其可以自由转动，滑套3表面制备有一层耐磨耐蚀自润滑合金涂层5，厚度在0.3mm。所述滑套3两端外圆面与端面的连接部位11采用圆弧过渡处理。所述自润滑合金涂层位于所述圆弧过渡的连接部位上。所述滑套3表面粗糙度0.6μm。所述滑套3位置固定是通过将滑套3装入芯杆并顶置扳手方一端侧面之后，依次装入各节和垫片12，在另一端加装套环7来固定的，套环7的外径与扳手方一端外径一致，通过螺纹的形式进行套环7的安装。所述套环7在拧紧的同时，保证滑套3不被套环7夹紧，留有一定间隙，使其能够自由旋转。

以质量百分比计，该自润滑合金涂层粉末由4.8%质量百分含量的固体润滑颗粒与95.2%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成。其中固体润滑颗粒由3.6% MoS₂和1.2% WS₂混合而成，涂层厚度为0.28mm，涂层硬度为38HRC。

在本实施例中，以质量百分比计所述铁镍合金粉末的成分组成为：碳1.0%，铬12%，硅2%，硼3.2%，铁45%，镍为36.8%。按照上述粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。

采用本发明中的涂层与油田常用的镍60合金粉末作为研究对象，在实验室对以上三个实施事例进行了磨损和腐蚀性能对比。

1.磨损试验

试验条件：在MM-200型摩擦磨损试验机上进行，块试样采用N80油管材料，环试样为35CrMo钢基材，表面分别喷焊镍60涂层和本发明中的涂层。400N载荷，400转/分转速，20分钟试验时间，水润滑。

试验结果：实施例一、二、三中的涂层环试样的平均磨损量与镍60涂层基本相当，处于同一水平，其中模拟油管的块试样平均磨损量则降低了近3倍，这表明本发明的合金喷焊涂层在自身磨损性能与镍60相近的前提下，可以有效地提高扶正器滑套的自润滑性能，减少对油管的磨损。

2.腐蚀试验

试验条件：35CrMo钢环试样、表面分别喷焊镍60涂层和本发明中涂层的涂层试样。1mol/L的HCl溶液和3.5%的NaCl溶液，108h不间断浸泡。

试验结果：在3.5%的NaCl溶液中，三种试样的腐蚀失重相差不大，但35CrMo钢环试样表面均匀覆盖有一层薄薄的铁黄色的锈膜，镍60和本发明的合金涂层表面则无明显变化。在1mol/L的HCl溶液中，35CrMo钢环试样表面出现明显的锈蚀孔洞和斑块，腐蚀失重达到33mg；镍60涂层试样表面无明显锈迹，表面颜色略暗一些，腐蚀失重平均0.6mg；而实施例中喷焊有本发明合金涂层的环试样表面也没有明显锈迹, 表面颜色比镍60更暗一些，腐蚀平均失重0.9mg，但与普通的扶正器杆体材料35CrMo相比其耐腐蚀性能仍非常优异。由上可见，本发明的合金喷焊涂层可以显著地提高扶正器滑套的耐腐蚀性能，与镍60相比，更好地实现了物尽其用的节能目标。

Claims

1.一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，包括芯杆和套装在所述芯杆上的滑套，所述芯杆为空心圆柱体，中心设有一轴向通孔，所述通孔中设置有适于与抽油杆外螺纹配合的内螺纹，其特征在于：所述滑套包括钢质本体和位于所述本体表面的自润滑合金涂层，所述自润滑合金涂层由2%～6%质量百分含量的固体润滑颗粒与94%～98%质量百分含量的铁镍合金粉末均匀混合而成，所述固体润滑颗粒是由MoS₂和WS₂均匀混合而成，以质量百分比计所述铁镍合金粉末的成分组成为：碳0.5%～1.1%，铬10%～20%，硅1.5%～5.5%，硼1.0%～4.5%，铁 25%～55%，余量为镍。

2.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述固体润滑颗粒中MoS₂和WS₂的质量百分含量比例为3：1，粒度为40μm ～80μm。

3.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：以质量百分比计所述铁镍合金粉末的成分组成为：碳0.5%～1.1 %，铬15%～20%，硅3.5%～5.0%，硼2.5%～3.5%，铁 35%～50%，余量为镍。

4.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述铁镍合金粉末按照粉末成分比例直接以冶炼的方式加工制备。

5.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述自润滑合金涂层的厚度为0.1mm～0.5mm。

6.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述自润滑合金涂层的硬度为30HRC～50HRC，所述自润滑合金涂层的表面粗糙度Ra为0.1～0.2μm。

7.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述滑套的外圆面与所述端面的连接部位为圆弧过渡，所述自润滑合金涂层位于所述圆弧过渡的连接部位上。

8.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述芯杆的一端设有适于与扳手配合的方颈平台。

9.如权利要求8所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述芯杆的另外一端安装有固定套环，所述滑套位于所述方颈平台的侧壁与所述固定套环形成的空间中，并与所述方颈平台的侧壁或所述固定套环之间形成间隙。

10.如权利要求1所述的一种柱状接箍复合型抽油杆扶正器，其特征在于：所述滑套为多节结构，各节之间相互隔开。