CN103757582B - 一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无磁轻结构用铁基耐磨喷涂粉，可以用于未来石油铝合金钻杆的耐磨耐腐涂层。该铁基粉末合金由硼、铬、碳、镍、锰、硅和铁组成。本发明的特点是：1)微磁至无磁。本发明的材料为奥氏体基，具有无磁特性，方便井下随钻测量一起的使用。2)工艺性好。和铝合金基体的结合性能好，喷涂时不需要对基体进行预处理，保护环境。热膨胀系数和铝合金比较匹配，内应力小且和铝合金基体的结合强度在80Mpa以上。3)耐磨耐腐蚀。硼化物和碳化物作为硬质相，使得材料有优良的耐磨性能；奥氏体的基体以及铬形成钝化膜使得材料具有优良的耐腐蚀性能。

Description

一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉

技术领域

本发明提供一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，属于表面涂层制造领域。

背景技术

20世纪60年代初，苏联开始在钻井中使用铝合金钻杆。铝合金钻杆质量轻，在钻机能力一定的情况下，用铝合金钻杆能够达到钢钻杆无法达到的深度。俄罗斯曾用400t能力的钻机钻成世界最深的C Γ-3井，井深12262m(400t能力用钢钻杆最多能钻8000m)。

国外的经验证明，深部钻探不能仅仅着眼于大型深孔设备，还可以在钻杆柱的材质上想办法，在不更换大吨位钻机的前提下使孔钻的更深，因此，近些年来轻质铝合金成了国内外同行关注的热点。欧盟在俄罗斯铝合金的钻杆标准基础上，于2002年制定了石油天然气工业用铝合金钻杆的国际标准ISO15546：2002，其地位与美国制定的钢钻杆API国际标准等同。由我国中石油管材所提出，高蓉等人承担制定的等同标准于2006年12月15日作为中华人民共和国国家标准《石油天然气工业铝合金钻杆》(GB/T20659-2006/ISO15546：2002) 正式发布，自2007年5月1日起实施。

相比钢钻刚，铝合金钻杆有以下优势：1)技术上铝合金钻杆相对钢钻杆优势明显：铝及其合金元素化学特性比较活跃，当其与氧反应后会在表面形成稳定的氧化膜，阻止其与周围环境的进一步反应。经过实际应用发现，铝合金钻杆在任何温度下都可有效防止H2S和 CO2的腐蚀；抗疲劳，交变弯曲和动应力抵抗力是钢的三倍。铝合金钻杆弹性模量小，在曲率大的定向井和水平井中使用铝合金钻杆时，钻柱与裸眼井段和套管井段的摩擦力减小，而且铝合金钻杆具有良好的抗弯曲载荷性能，更适合曲率大的定向井和水平井，其最大水平井段可达1000m；铝合金钻杆的无磁性方便随钻测量工具的使用。2) 经济上铝合金钻杆长期回报高：由于铝合金钻杆比钢钻杆轻，大大减轻了劳动强度。可以应用于标准型号的钻塔，且同一型号的钻机钻进深度较钢钻杆增加30-80m。深度25m、35m、50m升降操作所节约的时间分别为70％、170％、252％。生产效率提高6％-10％。前苏联地质部门在800-2000m深度，地层较为复杂的钻孔，采用壁厚76～ 93mm直径的钻头钻进，铝合金钻杆比壁厚50mm的同等级钢钻杆消耗的功率降低一半，每米成本下降2-5美元。3)国外应用普遍，国内市场空间很大：铝合金钻杆占到俄罗斯总掘进数50％以上，美国总掘进数60％以上。全球铝钻探杆产量30万吨，供需基本平衡，预计到 2015年铝钻探杆需求可达50万吨以上，中国铝合金钻杆需求约为1 万吨/年。中国的钻探环境日益恶劣，对铝合金钻杆的需求很强烈。综上，铝合金钻杆替代钢钻杆是必然趋势。

井下的工矿非常恶劣，钻杆要经受泥浆的磨损，要经受和井壁的磨擦，特别是斜井。本发明在于提供一种用于铝合金钻杆的耐磨耐蚀粉末，用于增强钻杆的耐磨性能。该粉末具有微磁至无磁的特性，和铝基的结合性能好，喷涂时不需要对基体进行预处理，保护环境。热膨胀系数和铝比较匹配，内应力小且和铝基的结合强度在80Mpa以上。硼化物和碳化物作为硬质相，使得材料有优良的耐磨性能；奥氏体的基体以及铬形成钝化膜使得材料具有优良的耐腐蚀性能。能够很好的满足井下工矿的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，为实现上述目的，本发明的合金材料含有下列质量比的化学成分：

20至35％铬，

1.5至5％硼，

0.1至2％钛，

2至10％锰，

0.34至0.48％碳，

5至12％镍，

0.2至5％硅，

余量为不小于45％的铁。

上述的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，其特征在于优选含铬的质量比为22-28％，含碳的质量比为0.34至0.4％，含硼的质量比为1.8至4％，含钛的质量比为0.1至1.5％，锰的质量比为2 至5％，镍的质量比为7至11％，硅的质量比为0.2至2％。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，铬含量优选为22-28％。铬元素易于与氧结合生成Cr2O3膜，该氧化膜结构致密，和基体黏合力强，可以把内部材料保护起来，具有高耐腐蚀性。当铁合金中铬含量大约13％时，可明显提高耐腐蚀性能，铬含量大于 17％时耐腐蚀性能又有进一步的提高。本材料选取20-35％的铬，使得材料能够有极好的耐腐蚀性。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，加入 8％-12％的镍元素。镍是不锈钢材料中的主要合金元素，镍元素可使铁合金不仅能耐酸、还能耐碱、对大气和盐都有抗蚀能力。另外，本发明的设计思路是奥氏体基体上析出硬质相，镍是铁合金奥氏体化的重要元素。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，加入 2-5％的硼。硼形成硼化物，提高硬度和耐磨性能，同时强化基体。同时硼的加入有利于降低合金元素在喷涂过程中的氧化。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，加入 0.1至2％钛。钛能够细化硼化物的晶粒，增加硬质相晶间表面积，使得材料的强度和耐磨性均有提高。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，含有 2-10％的锰元素。含有不大于0.5％的碳元素。锰和碳的功能在于提高合金奥氏体化的能力，以形成微细硼化物弥散强化的奥氏体，使得材料在具有优良耐腐蚀性的同时有较好的耐磨性能和韧性。含锰的奥氏体在受到到冲击载荷和接触应力时产生加工硬化，硼化物弥散强化含锰奥氏体钢基给涂层提供高耐磨性能。

本发明的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉中，含有不大于4％的硅元素，硅的功能在于提高合金的抗蚀性能，优化粉末雾化工艺性，提高成品率，降低合金元素在喷涂过程中的氧化。

具体实施方式

本发明的主要目的是提供一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，用于铝合金钻杆的表面喷涂，增强铝合金钻杆的耐磨性能，同时因为材料基体为含有高铬的奥氏体，具有优良的耐腐蚀性能。本发明的一种用于石油铝合金钻杆的耐磨耐蚀粉末可以通过雾化制成热喷涂粉末。具体实施方式为：配料-熔炼-雾化-冷却-粉末收集 -筛分-分级-检测-入库。

实施例

实施例1

根据本发明，利用雾化的方式制备热喷涂粉末，该粉末具有以下的质量百分比成份：

28％铬，

3.5％硼，

0.8％钛，

3％锰，

0.48％碳，

8％镍，

0.3％硅，

余量为质量百分比不小于45％的铁。

利用泰勒筛筛分出15-45 μ m的粉末。采用K2型号的HVOF设备进行喷涂，基体为铝合金。喷涂设备采用航空燃油作为燃料，氧气作为助燃气，送粉载气采用氮气。煤油流量为23L/H，氧气流量为50m3/H，燃烧室压力7.7Bar，送粉率为6Kg/h，喷涂距离为330mm。

对以上喷涂涂层按照金相制样标准进行镶样、研磨和抛光后进行显微硬度测试，采用71型显微硬度计进行实验，实验载荷为300g，压力保持时间为15s，测试结果显示HV0.3为672。

对以上涂层做X射线衍射分析发现，涂层如预期设计由奥氏体基体和硼化物硬质相组成，材料是无磁性的。

在圆柱棒端面喷涂涂层400μ m，而后用上海合成树脂研究所生产的E-7高强度胶和对偶件进行对心粘接，连接后放到100度的烘箱中保温一个小时，待完全固化后在电子拉伸试验机上进行拉伸试验。加载速度1mm/min。试验结果平均结合强度为80MPa以上。所有的样品都因为胶失效而断开，涂层没有损害。

实施例2

根据本发明，利用雾化的方式制备热喷涂粉末，该粉末具有以下的质量百分比成份：

24％铬，

3.5％硼，

1.2％钛，

2.5％锰，

0.34％碳，

12％镍，

0.8％硅，

余量为质量百分比不小于45％的铁。

利用泰勒筛筛分出15-45μ m的粉末。采用K2型号的HVOF设备进行喷涂，基体为铝合金。喷涂设备采用航空燃油作为燃料，氧气作为助燃气，送粉载气采用氮气。煤油流量为23L/H，氧气流量为50m³/H，燃烧室压力7.7Bar，送粉率为6Kg/h，喷涂距离为330mm。

对以上喷涂涂层按照金相制样标准进行镶样、研磨和抛光后进行显微硬度测试，采用71型显微硬度计进行实验，实验载荷为300g，压力保持时间为15s，测试结果显示HV0.3为583。

对以上涂层做X射线衍射分析发现，涂层如预期设计由奥氏体基体和硼化物硬质相组成，材料是无磁性的。

在圆柱棒端面喷涂涂层400μ m，而后用上海合成树脂研究所生产的E-7高强度胶和对偶件进行对心粘接。连接后放到100度的烘箱中保温一个小时，待完全固化后在电子拉伸试验机上进行拉伸试验。加载速度1mm/min。平均结合强度为80Mpa以上。所有的样品都因为胶失效而断开，涂层没有损害。

对比例1

对比例为气雾化生产的316粉末，采用K2型号的HVOF设备进行喷涂，基体为铝合金。喷涂设备采用航空燃油作为燃料，氧气作为助燃气，送粉载气采用氮气。煤油流量为23L/H，氧气流量为50m3/H，燃烧室压力7.8Bar，送粉率为5Kg/h，喷涂距离为310mm。

对实施例1.2和对比例1进行中性盐雾实验测试。实验条件：盐水浓度NaCl(50±5)g/L，盐雾箱温度为(35±2)度，盐雾沉降率 (0.01625-0.0212)ml/h.cm2至500h。实施例1、实施例2，对比例 1表面无任何锈迹。

根据G65标准对实施例1.2和对比例1做橡胶轮磨粒磨损试验，试样尺寸57*25.5*6cm，橡胶轮转速240rpm，橡胶轮直径176mm，橡胶轮硬度60绍尔硬度，磨料40-70mesh石英砂，磨料流量460g/min，载荷40N，磨损30s。实验结果为：对比例1失重为实施例1失重的 5.4倍，对比例1失重为实施例2失重的4.1倍。

本发明涉及的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉和铝合金的结合性能较好，喷涂时候不需要对基体进行预处理。粉末和铝合金的结合强度在80MPa以上，涂层孔隙率低，组织致密，耐腐蚀性能达到316的水平，耐磨性是316的近五倍。是一种性价比较高的可用于新型石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉。

Claims (2)

1.一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，其特征在于按质量百分比计含20至35％铬，1.5至5％硼，0.1至2％钛，2至10％锰，0.34至0.48％碳，5至12％镍，0.2-5％硅，余量为不小于45％的铁。

2.根据权利要求1所述的一种用于石油铝合金钻杆的无磁耐磨喷涂粉，其特征在于含铬的质量比为22-28％，含碳的质量比为0.34至0.4％，含硼的质量比为1.8至4％、含钛的质量比为0.1至1.5％，锰的质量比为2至5％，镍的质量比为7至11％，硅的质量比为0.2至2％。