CN104088590B - 一种抽油光杆及加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种抽油光杆及加工工艺，包括基材和位于所述基材表面的镍基合金复合涂层，所述镍基合金复合涂层由4％-40％质量百分含量的增韧粒子与60％-96％质量百分含量的镍基合金粉末混合而成，所述增韧粒子由Cu和Ti均匀混合而成。按照本发明提供的抽油光杆与现有技术相比具有如下优点：本发明在增韧粒子的选择上，采用了Cu和Ti的组合，Ti粒子是首次引入到镍基合金复合涂层中，由于Ti具有优异的增韧和抵制裂纹扩展的能力，因此将其和Cu粒子组合后，可以起到相互增强增韧效果，另外梯度涂层技术的引入同样有助于获得耐疲劳性能更佳的镍基合金复合涂层。

Description

一种抽油光杆及加工工艺

技术领域

本发明涉及石油设备，尤其涉及一种抽油光杆，本发明还设计一种抽油光杆的加工工艺。

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，是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力以及抽油过程中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蚀性能足够好的抽油光杆。

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复合涂层的喷焊光杆，使得其在生产加工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，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复合涂层的成分优化、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。现有的改进措施包括采用新型耐疲劳光杆基材和增加喷焊涂层的韧性两方面，但是前者存在新型光杆基材成本高，生产环节难以控制等限制，而后者虽然对光杆基材的选择范围很广，但单独采用Cu等增韧粒子只能在有限程度上改善涂层的韧性，并没有从根本上解决基材与涂层之间较大的差异性。

因此，如何优化镍基合金复合涂层的成分，大幅提高喷焊涂层光杆的抗弯能力和表面涂层的抗裂纹能力，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，提供一种具有较好韧性、抗弯能力和耐疲劳性能，以及较好耐磨耐蚀性能的抽油光杆。

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，提供一种抽油光杆的加工工艺。

按照本发明提供的抽油光杆采用的主要技术方案为：包括基材和位于所述基材表面的镍基合金复合涂层，所述镍基合金复合涂层由4％-40％质量百分含量的增韧粒子与60％-96％质量百分含量的镍基合金粉末混合而成，所述增韧粒子由Cu和Ti均匀混合而成。

本发明提供的抽油光杆还采用如下附属技术方案：

所述增韧粒子中Cu和Ti的质量百分含量比例为1：1-4:1。

以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

所述增韧粒子在所述镍基合金复合涂层中的添加比例按照质量百分含量为Cu：2％-32％，Ti：0.8％-20％。

所述镍基合金复合涂层为三层，从基材外表面起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为30～40％；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为20～30％；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.20-0.30mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为4～14％。

所述增韧粒子的粒度为10～40微米。

所述镍基合金复合涂层的厚度为0.30mm～0.50mm。

所述镍基合金复合涂层的硬度为25HRC～38HRC。

所述镍基合金复合涂层在厚度控制上采用外径和质量双指标检测。

按照本发明提供的抽油光杆的加工工艺，主要包括以下步骤：

(1)将基材表面的油污清洗干净并吹干；

(2)将基材表面进行喷砂除锈、粗活或活化；

(3)将增韧粒子与镍基合金粉末按照确定的比例混合采用机械研磨的方式进行充分搅拌形成镍基合金复合粉末；

(4)在基材表面根据厚度需要采用预粘结工艺涂覆一层镍基合金复合粉末，并进行干燥处理；

(5)将步骤(4)中涂覆有镍基合金复合粉末的基材进行重熔使基材表面形成镍基合金复合涂层；

(6)将制备有镍基合金复合涂层的抽油光杆进行表面抛光处理。

按照本发明提供的抽油光杆与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明在增韧粒子的选择上，采用了Cu和Ti的组合，Cu粒子的增韧作用已经在现有技术和实际应用中得到了较多体现，而Ti粒子却是首次引入到镍基合金复合涂层中，Ti元素具有良好的氧元素吸附能力，可以净化涂层，减少涂层晶粒间的空隙，增加涂层韧性，形成的Ti氧化物还可以在晶界上形成钉扎，细化晶粒，抵制裂纹扩展，因此将其和Cu增韧粒子组合后，可以起到增韧效果相互增强的作用，获得耐疲劳性能更佳的镍基合金复合涂层；由于Ti元素过多会导致涂层整体硬度下降，不利于涂层的耐磨性能，太少则不能较好体现其明显效果。

2、本发明将梯度涂层技术首次用在了抽油光杆的镍基合金复合涂层加工上，通过增韧粒子含量的改变，使得三层镍基合金复合涂层的韧性实现了平缓过渡，改善了涂层与基体之间的结合力，避免了现有技术中直接制备单层镍基合金复合涂层出现的基材和硬质镍基涂层之间韧性很大差异导致的耐疲劳性能在涂层/基体结合处很差的现状，而本发明最外层镍基合金复合涂层中增韧粒子相对较低含量的设计，可以确保抽油光杆具有优异的耐磨性能。

3、严格控制三层镍基合金复合涂层的厚度，采用外径和质量双指标控制，确保了过渡层的适度存在，既起到了过渡韧性的作用，又不会影响到外层涂层的耐磨耐蚀性能，可以获得具有优异耐疲劳性能的耐磨耐蚀涂层抽油光杆。

按照本发明提供的抽油光杆的加工工艺与现有技术相比具有如下优点：

1、将镍基合金复合粉末采用预粘结工艺涂覆在基材后，采用感应加热重熔工艺制备出镍基合金复合涂层，最大程度上保证了增韧粒子在复合涂层中的存在，大幅提高了抽油光杆的抗弯能力和表面镍基合金复合涂层的抗裂纹能力。

2、采用质量百分含量1％-9％的PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂，由于溶剂为水，既可以实现镍基合金涂层粉末的顺利预粘结，又由于其粘结剂含量较少对涂层质量影响很小，而且成本较低，工艺过程简单，易操作。

附图说明

图1是本发明的主视图。

具体实施方式

参见图1，在本发明给出的抽油光杆的实施例，包括基材1和位于抽油光杆基材1表面的镍基合金复合涂层2，抽油光杆基材1是一种一端镦粗型柔性长杆，包括一端的镦粗段3，两端的杆头4、5和中间的杆体6两部分，其杆头上有可与抽油杆接箍连接的外螺纹。所述镍基合金复合涂层2由4％-40％质量百分含量的增韧粒子与60％-96％质量百分含量的镍基合金粉末混合而成，所述增韧粒子由Cu和Ti均匀混合而成。以质量百分比计所述增韧粒子可为4％、15％、25％或40％；以质量百分比计所述镍基合金粉末可为60％、75％、85％或96％；

所述增韧粒子中Cu和Ti的质量百分含量比例为1：1-4:1。所述增韧粒子在所述镍基合金复合涂层2中的添加比例按照质量百分含量为Cu：2％-32％，Ti：0.8％-20％。

以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

所述增韧粒子的粒度为10～40微米。该粒度范围可以实现与镍基合金粉末的均匀混合以及在预粘结工艺中增韧粒子能够与粘结剂溶液充分接触保证粘结度，同时该粒度范围保证了增韧粒子在涂层中的增韧效果得到最佳体现。

所述镍基合金复合涂层2的厚度为0.30mm～0.50mm。具体的数值可以选用0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.50mm，这种厚度的镍基合金复合涂层2能够充分满足本发明的需求，达到比较好的效果。所述镍基合金复合涂层2的硬度为25HRC～38HRC。该硬度范围的确定主要基于兼顾涂层的力学性能和耐磨性能，硬度太低其耐磨性能会大幅下降从而不足以形成对基材的有效保护，硬度太高又会使其涂层的脆性加大抗裂纹能力降低。所述基材的截面中心硬度为35HRC～47HRC，该硬度的确定主要基于兼顾该特定光杆基材的力学性能和疲劳性能，硬度太低其抗拉强度和疲劳强度都难以满足实际需求，硬度太高又会出现抗拉强度很高但疲劳性能开始显著下降的问题。出于以上原因，最终确定了本发明对镍基合金复合涂层2和基材的硬度要求，使得本发明能够更好的适用相关标准的要求，达到比较好的性能。

所述镍基合金复合涂层在厚度控制上采用外径和质量双指标检测。确保了过渡层的适度存在，既起到了过渡韧性的作用，又不会影响到外层涂层的耐磨耐蚀性能，可以获得具有优异耐疲劳性能的耐磨耐蚀涂层抽油光杆。

所述镍基合金复合涂层2为三层，从基材外表面起起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为30～40％；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为20～30％；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.20-0.30mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为4～14％。本发明将梯度涂层技术首次用在了抽油光杆的镍基合金复合涂层2加工上，通过增韧粒子含量的改变，使得三层镍基合金复合涂层的韧性实现了平缓过渡，避免了现有技术中直接制备单层镍基合金复合涂层2出现的基材和硬质镍基涂层之间韧性很大差异导致的耐疲劳性能在涂层/基体结合处很差的现状。

本发明抽油光杆的加工工艺，主要包括以下步骤：

(1)将基材表面的油污清洗干净并吹干；

(2)将基材表面进行喷砂除锈、粗活或活化；

(3)将增韧粒子与镍基合金粉末按照确定的比例混合采用机械研磨的方式进行充分搅拌形成镍基合金复合粉末；

(4)在基材表面根据厚度需要采用预粘结工艺涂覆一层镍基合金复合粉末，并进行干燥处理；

(5)将步骤(4)中涂覆有镍基合金复合粉末的基材进行重熔使基材表面形成镍基合金复合涂层；

(6)将制备有镍基合金复合涂层的抽油光杆进行表面抛光处理。

上述步骤(4)的预粘结工艺大致过程为：先将镍基合金复合粉末倒入体积大于其数倍的PVA溶液中，进行搅拌使镍基合金复合粉末颗粒的表面被PVA溶液包裹；然后将含有PVA溶液镍基合金复合粉末从PVA溶液中捞出，或将PVA溶液排出，留下表面粘附有PVA溶液的镍基合金复合粉末；最后将含有PVA溶液的镍基合金复合粉末根据厚度需要涂覆在基材表面，并进行干燥处理。

上述预粘结工艺中采用PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂，质量百分含量1％-9％，溶剂为水，首先将PVA边搅拌边加入到50-70℃的水中完全溶解，然后将镍基合金复合涂层合金粉末加入到PVA溶液中后搅拌均匀。

实施例1：

一种抽油光杆，包括基材和所述基材表面的镍基合金复合涂层，其中镍基合金复合涂层的内部由三层阶梯涂层构成。从基体处起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.05mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为30％，其中Ti和Cu均为15％，镍基合金粉末比例为70％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：C：0.80％，Si：3.0％，B：3.5％，Cr：8％，Fe：8％，余量为镍；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.05mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为20％，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为20％，其中Ti和Cu均为10％，镍基合金粉末比例为80％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：C：0.80％，Si：3.0％，B：3.5％，Cr：8％，Fe：8％，余量为镍；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.20mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为4％，其中Ti和Cu均为2％，镍基合金粉末比例为96％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：进行预粘结工艺中采用质量百分含量1％的PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂。

实施例2：

一种抽油光杆，包括基材和所述基材表面的镍基合金复合涂层，其中镍基合金复合涂层的内部由三层阶梯涂层构成。从基体处起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为40％，其中Cu和Ti分别为32％和8％，镍基合金粉末比例为60％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.70％，Si：3.5％，B：3.2％，Cr：10％，Fe：11％，余量为镍；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.1mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为30％，其中Cu和Ti分别为24％和6％，镍基合金粉末比例为70％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.70％，Si：3.5％，B：3.2％，Cr：10％，Fe：11％，余量为镍；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.30mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为14％，其中Cu和Ti分别为11.2％和2.8％，镍基合金粉末比例为86％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.70％，Si：3.5％，B：3.2％，Cr：10％，Fe：11％，余量为镍。进行预粘结工艺中采用质量百分含量9％的PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂。

实施例3：

一种抽油光杆，包括基材和所述基材表面的镍基合金复合涂层，其中镍基合金复合涂层的内部由三层阶梯涂层构成。从基体处起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.07mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为32％，其中Cu和Ti分别为24％和8％，镍基合金粉末比例为68％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.65％，Si：2.5％，B：3.0％，Cr：8％，Fe：15％，余量为镍；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.08mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为24％，其中Cu和Ti分别为18％和6％，镍基合金粉末比例为76％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.65％，Si：2.5％，B：3.0％，Cr：8％，Fe：15％，余量为镍；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.25mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为12％，其中Cu和Ti分别为9％和3％，镍基合金粉末比例为88％，以质量百分比计所述镍基合金粉末的组成为：C：0.65％，Si：2.5％，B：3.0％，Cr：8％，Fe：15％，余量为镍。进行预粘结工艺中采用质量百分含量5％的PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂。

按照油田抽油杆/光杆力学性能检验的通用办法，在本发明实施例中的20CrMo光杆基材/MC镍基合金复合涂层抽油光杆试样中部任意位置截取长度500mm左右的试样进行拉伸和弯曲试验，结果如下：

在实验室环境下采用WE-1000型液压万能试验机对以上实施例中的抽油光杆进行了拉伸性能评价，具体如下表1所示。结果表明，本发明的抽油光杆的抗拉强度、延伸率和断面收缩率分别达到1310MPa、12％和55％，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。

在实验室环境下按照GB/T14452-1993《金属弯曲力学性能试验方法》要求，对目前油田常用的20CrMo镍基涂层喷焊抽油光杆试样(以下简称20CrMo试样)和本发明实施实例中的试样(以下简称MC试样)进行了抗弯试验对比，结果发现本发明的MC试样的抗弯强度比20CrMo试样提高33％，同时对比弯曲试验后的试样可以发现，20CrMo试样的折弯程度远大于MC试样，而且弯曲试验过程中在试样表面产生的裂纹数量和长度上也差别较大，在20CrMo试样表面涂层上有3到5条长度超过试样圆周一半的大裂纹和10条以上长度不超过试样圆周1/4的短裂纹，而在MC试样表面则只有1到2条长度超过试样圆周一半的大裂纹，同时短裂纹的数量通常在6到7条左右。以上结果表明，本发明的MC抽油光杆具有较好的抗弯性能和抵制裂纹产生的能力，可以保证其在使用过程中具有更好的抗弯性能和使用寿命。

可见，本发明中的MC抽油光杆具有很好的综合力学性能，不仅使抗拉强度得到了显著提高，再加上其表面的镍基合金复合涂层具有优异的耐磨耐蚀性能和较好的抗弯性能，使本发明的抽油光杆可以很好地满足油田高载荷和磨损腐蚀的服役环境。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种抽油光杆，包括基材和位于所述基材表面的镍基合金复合涂层，所述基材包括一端的镦粗段，两端的杆头和中间的杆体两部分，所述杆头上设有外螺纹，其特征在于：所述镍基合金复合涂层由4％-40％质量百分含量的增韧粒子与60％-96％质量百分含量的镍基合金粉末混合而成，所述增韧粒子由Cu和Ti均匀混合而成；所述镍基合金复合涂层为三层，从基材外表面起起，第一镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为30～40％；第二镍基合金复合涂层的厚度为0.05-0.10mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为20～30％；第三镍基合金复合涂层的厚度为0.20-0.30mm，增韧粒子添加比例按照质量百分含量为4～14％。

2.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述增韧粒子中Cu和Ti的质量百分含量比例为1：1～4:1。

3.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：以质量百分比计所述镍基合金粉末的成分组成为：C：0％～0.80％，Si：2.0％～4.0％，B：1.5％～4.5％，Cr：5.0％～15.0％，Fe≤5.0％，余量为镍。

4.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述增韧粒子在所述镍基合金复合涂层中的添加比例按照质量百分含量为Cu：2％-32％，Ti：0.8％-20％。

5.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述增韧粒子的粒度为10～40微米。

6.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金复合涂层的厚度为0.30mm～0.50mm。

7.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金复合涂层的硬度为25HRC～38HRC。

8.如权利要求1所述的抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金复合涂层在厚度控制上采用外径和质量双指标检测。

9.一种加工权利要求1-8任意一项所述的抽油光杆的工艺：主要包括以下步骤：

(1)将基材表面的油污清洗干净并吹干；

(2)将基材表面进行喷砂除锈、粗活或活化；

(3)将增韧粒子与镍基合金粉末按照确定的比例混合采用机械研磨的方式进行充分搅拌形成镍基合金复合粉末；

(4)在基材表面根据厚度需要采用预粘结工艺涂覆一层镍基合金复合粉末，并进行干燥处理；

(5)将步骤(4)中涂覆有镍基合金复合粉末的基材进行重熔使基材表面形成镍基合金复合涂层；

(6)将制备有镍基合金复合涂层的抽油光杆进行表面抛光处理。