CN1046789A - 一种采油电潜泵轴 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种石油采油业用的电潜泵轴。现有的电潜泵轴均是由进口或国产蒙乃尔合金制造的，它的每吨原材料成本都在十几万元以上。而本发明采用的是一种经热处理和表面处理的50CrVA钢制造的，它的材料成本比蒙乃尔合金至少低20倍，而经过特殊加工的泵轴价格也低于蒙乃尔合金3倍以上。另外，它还具有性能优越，材料来源广阔等优点。它的采用将给我国石油开采设备的国产化开创一条新路。
Description
本发明涉及一种油田泵轴，尤其是制造一种采油用的电潜泵轴。
随着世界采油业的发展，采油设备已进入了新的时代。为了改变我国采油设备的落后状况，我国从八十年代开始就从国外主要是美国雷达（Reda）公司和森垂立夫特（Centrilift）公司进口了潜油电动离心泵（简称电潜泵）。电潜泵是目前世界上较为先进的深井提油设备，它具有系统结构简单，采液量大和效率高等优点，特别是对高含水开发期提液增油和老油田的稳产、高产有着举足轻重的作用。但是，由于受井内环境及恶劣的工作条件影响，电潜泵的坏损率也是很高的，尤其是电潜泵中的关键件-中心轴。因为电潜泵是在上千米深的井下工作，一旦出现故障就不得不停机将电潜泵提升到地上修理或更换，特别是中心轴的损坏，而这种提升是非常困难的。为此，油田每年都因潜油泵故障而停产所造成的经济损失都是相当惊人的。
然而更为惊人的是我国采油业每年都以数亿美元从国外进口潜油泵、仅就山东胜利油田而言，在1981～1988年间就花了12566.2万美元进口了1475台电泵。这种大量的外汇外流确实是种令人痛心的事。尽管生产电潜泵是种高精的制造技术，但就我国目前机械制造业的能力而言是完全可以国产化的，可唯一解决不了电潜泵中心轴的材质和某些加工技术问题。只因如此，向我出口的外国公司，只供整机而不供配件。
电潜泵中心轴是一种以镍铜为主体的K-蒙乃尔（英文 Monel）合金，其化学成份为：Ni63%，Cu27～29%，Mn1.2～1.8%，Fe2.0～3.0%，其他为微量的Si、C、Mg和杂质。按冶金分类它属于有色金属，其用途主要应用在：电气工业、电阻高温计及海轮、医疗和油田的机械制造业，它具有较高的强度、弹性和良好的耐蚀性。
为了解决电潜泵轴及其他类型的如：油田用的保护器、油气分离器等轴的材质问题，我国自1987年已有个别厂家试炼了蒙乃尔合金，虽然试炼成功并已下井后验证其性能不低于进口轴，但由于价格昂贵的镍、铜原料以及较低的成品率所致，每吨成本都高达十五万元以上，这仍给油田带来较重的经济负担，而且尽管如此，这家企业的生产量仍远远满足不了我国石油业的需求。因此，石油电泵轴仍是我国采油业亟待解决的难题。
本发明的目的是提供一种以黑色金属为材质的油田电泵轴，它包括潜油泵、保护器及油气分离器等油田专用泵轴。它的改进不仅解决了油田有色金属泵轴的黑色金属化问题，更主要的是：在保证其性能不低于蒙乃尔合金的前提下，以低于蒙乃尔合金几十倍的价格，生产国产化的油田泵轴。
本发明的目的是这样实现的：所说的黑色金属油田电泵轴，是一种经过表面处理，用50CrvA弹簧钢为材质制造的电潜泵轴。
下面根据实施例来叙述本发明的潜油泵轴的加工及处理方法。
众所周知，50CrVA钢是种优质弹簧钢，它的功用特点是制造工作温度＜300℃的弹性元件。例如：化学工业出版社出版的《机械设计手册》中是这样记载着它的性能和用途：“具有较高综合性能，良好的冲击韧性，回火后强度高，高温性能稳定。淬透性很高，适于制造大截面50毫米的高应力或耐热（＜300℃）螺旋弹簧”。又如机械工业出版社出版的《机械工程手册-材料部分》中对其用途是这样叙述的：“气门弹簧、油咀簧、气缸涨圈、安全阀用簧、中压表元件、密封装置等，适用于210℃条件下工作弹簧”。50CrVA的主要化学成份为（%）：C0.46～0.54，Si0.17～0.37，Mn0.50～0.80，Cr0.8～1.1，V0.1～0.2。从金相组织分析，它属于亚珠光体的低合金钢。50CrVA的性能和优点如同上述，除了一些工具书籍外，其他一些有关50CrVA钢的研究资料也表明：均以弹簧元件作为主要的工作对象、更没有做潜油泵轴的记载。
潜油泵轴不仅仅是材质的特殊，而决定其选用这种特殊材质的关键还是它的特殊性能要求、特殊的尺寸及加工精度。例如一根潜油泵中心轴，其长度为6～7米，而外圆直径仅φ22.2-0 0.1毫米，粗糙度为
，除此之外，还要在这样一根又细又长的轴上加工出-5～6米长槽：1.6H9（+0.0025 0）
，而且该轴加工后的直线度应小于0.06mm/m。它的性能除要求有较高的强度、硬度（参数附后）和耐蚀性外，还要保证这一根细长轴在井下工作时，在扭转360°/m的情况下，不变形、不断裂，而且完全复原。从电潜泵轴的上述加工精度和特殊机械性能我们不难看出，就连那些制造电潜泵三十多年的生产厂家，至今仍沿用价格昂贵的K-蒙乃尔合金而不敢用成本甚低的黑色金属材料做轴，也并无道理。
为了能在黑色金属领域内找到替代蒙乃尔合金轴的材质，我们也曾用几种方案进行对比试验。首先从用途着手，由于要解决的是一种轴，所以较大的精力均用于各类制轴钢的研制上。例如先后采用过CrMo类和CrNiMo类等合金结构钢，但其试验结果均离要求相差甚远。由于蒙乃尔属于奥氏体合金，随之又在金相组织相近的钢种上寻求，其结果也跟上述的一样。在这一年多的期间内，通过上述试验教训，迫使我们产生了新的试验方案，那就是从机械性能下手，不管已往通常做什么用的钢种，只要性能较接近便是试验对象。尽管50CrVA钢在以往的各种资料上介绍，均用于制造弹性元件，况且做大截面弹簧，但其性能却接近于蒙乃尔合金。通过两年来的努力以及克服了各种加工上的困难，终于在1989年4月份制出了四根81级泵轴、二根保护器轴和一根油气分离器轴，并于当月25日在胜利采油厂做了井下试验。经井下试验表明，其性能完全符合运转100天的工业现场试用时间要求，并且在试运100天后仍在运行。这次现场试验的作业条件为：井号35202、泵型D82，井深1800m，电机功率75HP×2＝150HP，转速2915转/分，排液量320m3/d。
下面先谈50CrVA轴的加工方法：
由于蒙乃尔合金是采用拉拔工艺成型的，若50CrVA采用同样的方法是根本行不通的。因此，此钢材出厂即要求坯料保证一定的直线度，又要留有一定的加工余量。以6～7米长的电潜泵轴为例，坯料加工前的首道工序是热处理;它要经过860±10℃的油淬和620±10℃的回火，考虑材料加工后稳定组织再进行150～200℃的人工时效，第二道工序是：坯料加工前先在校直机上校直，再在无心磨床上进行无心荒磨，然后再校直-进行粗磨，粗磨后再校直便进入细磨，乃至细磨后再校直后的精磨，精磨再校直……，就这样反复多次地校直和无心磨，直至将≈φ23的坯料加工成φ22.20 0.01，粗糙度
和0.06mm/m平直度的半成品轴。由于此料较长（6～7米），因此在无心磨的走刀方向前后均应附加托架，以其支撑和送进。由于该轴工作时，尚需装有不同数量的叶轮和导轮，因此，在这6～7米长而直径才φ22.2毫米的半成品轴上，还要加工出-5～6米长的槽，其尺寸精度为1.6H9（+0025 0）
，这在通用的铣床上加工是相当困难的，尤其是接刀很难保证。为解决长槽加工问题，我们专门设计了一种铣长槽机，实践证明其效果良好，特别是加工时使用乳化液润滑其加工质量更佳。该机的选用参数为：主轴转速n≈150转/分，纵向进给S≈50毫米/分，刀具外径φ63～75，其中刀具厚度根据刀具本身不平度及机床主轴跳动而定。
虽然通过上道工序解决了电潜泵轴的机加精度问题，但由于泵轴是在井下工作并且直接接触井下的一些磨蚀性介质，如硫化物、氢化物等，而作为蒙乃尔合金轴是勿需解决其耐蚀问题，可50CrVA钢与之相比则耐蚀性差。若不解决其耐蚀问题，即便其机械性能满足做电潜泵轴的要求，而使用寿命也难以保证。因此，为了提高50CrVA钢的表面硬度及提高其耐蚀性，我们对加工后的成品轴进行表面处理，其一种方法为磷化处理：将制件放入磷酸锰铁盐溶液中，时间为1小时左右，使金属获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜。经过这样一处理，使制件表面获得5～10μ厚的磷化层。其第二种方法为氮化处理：将制件放入含有氮的介质或分解氨活性氮中，加热500～600℃，保温18～24小时，使制件表面可获0.02～0.04mm深的饱和氮，以上两种表面处理方法也可根据不同油田的井下介质进行不同的选用。
经过上述各工序后，以50CrVA为材质的油田泵轴（由于各类泵型的不同轴长可以从0.3～7米）便可投入使用。例如对首次下井的试验轴经地面测试结果表明，蒙乃尔合金所要求的七项机械性能指标，50CrVA钢均可达到或超过，其对比参数如下：
（见下页）
| 测试项目 | 蒙乃尔合金 | 50CrVA |
| ①σb抗拉强度 | 768MPa | 793MPa |
②
 |
444.75MN/m2 | 557.25MN/m2 |
| ③σs屈服强度极限 | 672MPa | |
| σ0.2条件屈服强度 | 49Kgf/mm2 | |
| ④σ伸长率 | 14.2% | 22% |
| ⑤ψ断面收缩率 | 57.8% | 62% |
| ⑥ak冲击韧性 | 144J/cm2 | 153J/cm2 |
| ⑦HB布氏硬度 | 220kg/mm2 | 248kg/mm2 |
而其耐蚀性通过胜利油田的工业性试验表明：它完全能满足井下环境的工作要求。
本发明的优点在于：用50CrVA钢制造的电潜泵轴不仅成本低，性能优越，而且材料来源广阔，它比蒙乃尔合金轴的材质成本要低20倍，而其使用寿命却超越蒙乃尔合金。它的采用不仅仅是为了节省外汇，更主要的是为我国石油开采业的发展开创了一条国产化的路子。
Claims (3)
1、一种采油电潜泵轴是由蒙乃尔合金制造的，本发明的特征在于：它是一种经表面处理的50CrVA钢制造的电潜泵轴。
2、根据权利要求1所述的一种采油电潜泵轴，其特征在于：经表面处理的50CrVA钢轴，是经过磷化处理和（或）氮化处理。
3、根据权利要求1或2所述的一种采油电潜泵轴，其特征在于：该轴还可以用于油田其他使用蒙乃尔合金轴的设备上。
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| CN 89107333 CN1018280B (zh) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 一种潜油电动离心泵轴 |
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| CN 89107333 CN1018280B (zh) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 一种潜油电动离心泵轴 |
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