CN103806846B - 防腐耐磨抽油光杆 - Google Patents

Abstract

本发明防腐耐磨抽油光杆涉及一种油田杆泵采油系统中的防腐耐磨抽油光杆。其目的是为了提供一种具有较大的承载能力和抗弯能力，以及生产时成品率高，使用时耐磨耐腐蚀的防腐耐磨抽油光杆。本发明包括基体和喷焊于所述基体表面的喷焊层，以质量百分比计所述喷焊层所用的镍基合金粉末组成为：C：0%～1.0%，Si：1.0%～3.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：8%～15%，Cu：4%～8%，Mo：2%～6%，余量为镍。

Description

防腐耐磨抽油光杆

技术领域

本发明涉及一种石油生产设备，尤其涉及一种油田有杆泵采油系统中的抽油光杆。

背景技术

有杆泵采油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量以及抽油过程中所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，因此使得普通抽油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腐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。

在国内外油田己有的材料型抽油杆/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(200mrn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，使得其在生产效率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之一，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，中国专利ZL200910202976.6所公开的技术已经解决了在使用过程中抽油光杆喷焊层开裂的问题。然而在抽油光杆实际生产过程中还发现，喷焊层在经过重熔冷却工序后容易出现少量微裂纹，微裂纹的存在会影响防腐耐磨光杆在油田现场使用的防腐效果，出现这种情况的产品不能出厂使用，从而导致抽油光杆成品率不高。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抽油光杆在生产过程中提高表面涂层的抗裂纹能力，降低残次品率，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种具有较大的承载能力和抗弯能力，以及生产时成品率高，使用时耐磨耐腐蚀的抽油光杆。

本发明一种防腐耐磨抽油光杆，包括基体和喷焊于所述基体表面的喷焊层，以质量百分比计所述喷焊层所用的镍基合金粉末组成为：C：0%～1.0%，Si：1.0%～3.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：8%～15%，Cu：4%～8%，Mo：2%～6%，余量为镍。

本发明防腐耐磨抽油光杆，其中所述喷焊层厚度为0.1㎜～0.35㎜。

本发明防腐耐磨抽油光杆，其中所述基体与喷焊层之间相互渗透形成渗透层。

本发明防腐耐磨抽油光杆，其中以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.5%，Si：1.0%，B：4%，Cr：11%，Cu：8%，Mo：6%，余量为镍。

本发明防腐耐磨抽油光杆，其中以质量百分比计所述基体的组成为：C：0.1%～0.16%，Si：0.4%～1.2%，Mn：0.4%～1.0%，Cr：1.5%～2.5%，Mo：0.2%～0.6%，Ni：0.2%～0.6%，P≤0.025%，S≤0.025%，余量为铁。

本发明防腐耐磨抽油光杆，其中以质量百分比计所述基体的组成为：0.13%，Si：0.8%，Mn：0.7%，Cr：2.5%，Mo：0.6%，Ni：0.2%，P≤0.025%，S≤0.025%，余量为铁。

本发明防腐耐磨抽油光杆有如下有益效果：

本发明防腐耐磨抽油光杆喷焊层所使用的金属粉末成分相较于传统的金属粉末成分而言，降低了了Cu元素的比例，并加入了Mo元素。Cu虽然有提高涂层的韧性和自润滑性的作用，但是含量过高，影响镍基合金粉末的喷涂工艺性能，导致自熔性降低，因此降低Cu元素的比例并加入适量Mo元素，并且同时调整其他元素进行配合调整，一方面保证了合金涂层的喷涂加工性能，减少了生产抽油光杆过程中涂层开裂的几率，另一方面涂层的硬度和韧性有所保证。

本发明中镍基合金的成分配比，使得喷焊层的电位比基体的电位更低，相对基体是“阴极”，这样利用阴极保护的原理，进一步提高了涂层的防腐性能。

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，保证了本发明防腐耐磨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。

下面结合附图对本发明防腐耐磨抽油光杆作进一步说明。

附图说明

图1为本发明防腐耐磨抽油光杆的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明防腐耐磨抽油光杆包括基体1和喷焊于基体1表面的厚度为0.1mm～0.35mm的喷焊层2，且基体1与喷焊层2之间相互渗透形成渗透层。

其中，以质量百分比计所述基体1的组成为：C：0.1%～0.16%，Si：0.4%～1.2%，Mn：0.4%～1.0%，Cr：1.5%～2.5%，Mo：0.2%～0.6%，Ni：0.2%～0.6%，P≤0.025%，S≤0.025%，余量为铁。

其中，以质量百分比计所述喷焊层所用的镍基合金粉末组成为：C：0%～1.0%，Si：1.0%～3.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：8%～15%，Cu：4%～8%，Mo：2%～6%，余量为镍。

Mo元素的比例确定为2%～6%原因如下：如果Mo的含量低于2%则喷焊层2的韧性和抵抗裂纹形成的能力没有得到明显地提高，而如果Mo的含量超过6%则喷焊层2的硬度会明显降低，喷焊层2的耐磨性下降。

喷焊层2的厚度确定为0.1mm～0.35mm的原因如下：如果喷焊层2的厚度小于0.1mm，石油会透过喷焊层2渗入抽油光杆基体1，对抽油光杆造成腐蚀；如果喷焊层2的厚度大于0.35mm，则不利于渗透层的形成，从而喷焊层2也就容易从基体1脱落。

本发明防腐耐磨抽油光杆的喷焊层2形成过程如下：

A.将基体1毛胚表面的油污清洗干净并吹干；

B.对基体1毛胚表面进行喷砂除锈、粗化和活化；

C.在基体1毛胚表面采用热喷焊工艺制备一层0.2mm～0.4mm厚度的喷焊层2渗透层；

D.待喷焊层2冷却，对抽油光杆表面进行抛光。

接下来对本发明防腐耐磨抽油光杆的力学性能以及抵抗裂纹形成的性能作实验验证。

首先，在以下各实施例中，以质量百分比计喷焊层2所用的镍基合金粉末的组成和基体1的组成在各自配比范围内选定并依照上述喷焊层2的成型过程制作抽油光杆试样，其中：

实施例一：以质量百分比计镍基合金粉末的组成为：C：0.1%，Si：1%，B：4%，Cr：11%，Cu：8%，Mo：6%，余量为镍。以质量百分比计基体1的成分选定为：C：0.1%，Si：0.4%，Mn：0.4%，Cr：2%，Mo：0.4%，Ni：0.6%，P：0.025%，S：0.025%，余量为铁。

实施例二：以质量百分比计镍基合金粉末的组成为：C：0.5%，Si：2%，B：6%，Cr：15%，Cu：4%，Mo：2%，余量为镍。以质量百分比计基体1的成分选定为：C：0.13%，Si：0.8%，Mn：0.7%，Cr：2.5%，Mo：0.6%，Ni：0.2%，P：0.025%，S：0.025%，余量为铁。

实施例三：以质量百分比计镍基合金粉末的组成为：C：1%，Si：3%，B：2%，Cr：6%，Cu：4%，Mo：2%，余量为镍。以质量百分比计基体1的成分选定为：C：0.16%，Si：1.2%，Mn：1.0%，Cr：1.5%，Mo：0.4%，Ni：0.4%，P：0.025%，S：0.025%，余量为铁。

实施例四：以质量百分比计镍基合金粉末的组成为：C：0.3%，Si：1.6%，B：5%，Cr：12.5%，Cu：3.5%，Mo：3.5%，余量为镍。以质量百分比计基体1的成分选定为：C：0.15%，Si：0.7%，Mn：0.5%，Cr：1.8%，Mo：0.3%，Ni：0.5%，P：0.025%，S：0.025%，余量为铁。

其次，从本发明的四个抽油光杆试样的任意位置分别截取一段长度为400rnm左右的试样按照油田抽油光杆力学性能检验的通用办法，进行拉伸和弯曲试验，结果如下：

在实验室环境下采用WE-IOOO型液压万能试验机对以上实施例中的防腐耐磨抽油光杆进行了拉伸性能评价，具体如表l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抽油光杆力学性能试验一

其次，从本发明的四个抽油光杆试样的任意位置分别再次截取一段长度为400rnm左右的试样按照油田抽油光杆力学性能检验的通用办法，进行疲劳试验，结果如下：

疲劳性能试验在700MPa高应力加速实验条件下进行，具体如表2所示。结果表明，本发明的防腐耐磨抽油光杆疲劳强度是普通20CrMo抽油光杆疲劳强度的四倍。

表2抽油光杆力学性能试验二

	疲劳断裂循环周次
		普通20CrMo抽油光杆	46200
实施例1	160200
		实施例2	160800
实施例3	157000
		实施例4	160600

最后，对本发明防腐耐磨抽油光杆喷焊层形成过程中抵抗裂纹形成的性能作实验验证，过程如下：

i.分别从上述本发明抽油光杆的四个试样的任意位置截取25个试样，即共选取本发明抽油光杆试样100个，截取普通Ni60合金粉末涂层抽油光杆试样100个。

ii.通过化学试剂显影的办法来判定喷焊层2表面是否存在裂纹，步骤基本如下：

A.清洗油污

用清洗液在待测试喷焊层2表面喷涂清洗，待表面油污清洗干净并风干后进入下一步骤。

B.喷涂浸透液

在清洗干净后的喷焊层2表面均匀喷涂一层红色浸透液，并等待5分钟左右的浸透时间，保证浸透液能够充分浸透到裂纹的深处。

C.清洗浸透液

再次使用洗净液/除去液将喷焊层2表面的红色浸透液清洗干净并风干。

D.喷涂显影剂

在清洗干净的喷焊层2表面均匀喷涂一层较薄的白色显影剂，待显影剂风干后即可进行微裂纹显影实验，观察和判定裂纹是否存在，发现表面有红色细线，即微裂纹。

iii.得出实验数据：100个普通Ni60合金粉末涂层抽油光杆试样，出现微裂纹显影的3个。100个本发明抽油光杆试样，出现微裂纹显影零个。数据表明，本发明抽油光杆在生产过程中具有较好的抵抗裂纹形成的性能，成品率较高。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种防腐耐磨抽油光杆，包括基体和喷焊于所述基体表面的喷焊层，以质量百分比计所述喷焊层所用的镍基合金粉末组成为：C：0%～1.0%，Si：1.0%～3.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：8%～15%，Cu：4%～8%，Mo：2%～6%，余量为镍。

2.根据权利要求1所述的防腐耐磨抽油光杆，其特征在于：所述喷焊层厚度为0.1㎜～0.35㎜。

3.根据权利要求1所述的防腐耐磨抽油光杆，其特征在于：所述基体与喷焊层之间相互渗透形成渗透层。

4.根据权利要求1所述的防腐耐磨抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.5%，Si：1.0%，B：4%，Cr：11%，Cu：8%，Mo：6%，余量为镍。

5.根据权利要求1所述的一种防腐耐磨抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述基体的组成为：C：0.1%～0.16%，Si：0.4%～1.2%，Mn：0.4%～1.0%，Cr：1.5%～2.5%，Mo：0.2%～0.6%，Ni：0.2%～0.6%，P≤0.025%，S≤0.025%，余量为铁。

6.根据权利要求1所述的防腐耐磨抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述基体的组成为：0.13%，Si：0.8%，Mn：0.7%，Cr：2.5%，Mo：0.6%，Ni：0.2%，P≤0.025%，S≤0.025%，余量为铁。