CN106522851B - 一种两段式喷焊涂层抽油光杆及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种两段式喷焊涂层抽油光杆，包括基材和位于所述基材表面的镍基合金涂层，其未镦粗段基材为长约1到3米的高强韧钢，镦粗段采用普通钢质基材，所述未镦粗段高强韧钢基材和所镦粗段普通钢质基材采用摩擦焊接的方式连接在一起，并且在镍基合金涂层制备前需要对焊缝及影响区进行调质热处理和表面纳米化处理，从而获得优异的组织和力学性能。本发明中的新型合金涂层抽油光杆具有很好的耐磨耐蚀性能，而且专门针对光杆卡子下方10公分左右高比例断裂区域进行了特殊的强韧性能改善设计和处理，具有优异的韧性、抗弯性能和抗疲劳性能，可以有效解决合金涂层抽油光杆的断裂问题，延长光杆使用寿命，有助于确保油田油井的正常运转。

Description

一种两段式喷焊涂层抽油光杆及其加工工艺

技术领域

本发明涉及石油设备，更具体涉及一种抽油光杆。

背景技术

抽油光杆是油田人工举升采油最关键的部件之一，其性能的好坏直接关系着油井能否正常生产。一旦发生光杆断裂问题，将会导致油井停产和进行修井作业，由此带来的维修和停井经济损失巨大。

光杆的失效原因主要包括磨损、腐蚀和断裂等三种。在解决磨损和腐蚀方面已经有很多成功的途径，比如API 11B和SY/T 5029标准中规定的镍基合金涂层喷焊光杆就很好的解决了光杆的磨损和腐蚀，并已经成为油田应用最为广泛的光杆产品。但是在光杆断裂方面则存在很大的难题，在实际使用中，光杆镦粗端一头作为下端与抽油杆相连，而未镦粗端一头则与光杆卡子相连。由于光杆卡子下方10公分范围内存在严重的弯曲交变应力和拉拉交变应力的叠加，导致70％以上的光杆断裂都是发生在该范围内。特别是为了解决磨损和腐蚀而在普通光杆表面制备合金涂层后，由于合金涂层抽油光杆表面的硬质涂层和基体之间显著差异性带来较大韧性差异，导致其在该位置断裂的比例进一步提高。因此如何解决耐磨耐蚀合金涂层光杆的断裂问题是非常紧迫和关键的。

现有的合金涂层光杆主要通过以下三种途径来改善涂层的韧性，并期待最终解决光杆的断裂问题：一是调节镍基合金涂层的成分，但是由于NiCrBSi自熔合金粉末特性的要求，成分改进的空间不大，很难实现涂层韧性的改善；二是采用新的光杆基体材料，通过显著提高光杆基材的韧性和耐疲劳性能来改善涂层光杆的整体韧性和抗疲劳性能，该途径效果显著，但是由于这类基材往往需要采用添加特定元素的特殊合金钢，使得其在力学性能显著提高的同时，加工和热处理的难度加大，特别是对于抽油光杆需要经过冷拔、热处理、镦粗、机加工和螺纹挤扣等一系列工序来说，其成本往往难以接受，生产过程的控制难度也大，因此难以得到普遍推广；三是通过在NiCrBSi自熔合金粉末中添加Cu等增韧成分，来提高涂层自身的韧性和抗疲劳性能，市场上现有的产品中也主要以NiCrBSi自熔合金粉末中添加Cu这一种技术手段，但其在韧性提高幅度上有限，难以有效解决光杆的断裂。

因此，在保持镍基合金涂层光杆优异的耐磨耐蚀性能的基础上，开发一种具有优异韧性和抗弯能力，可以有效抵制表面涂层裂纹的涂层合金光杆，将有效解决油田人工举升采油中存在的光杆断裂问题，确保油井高效正常运行。

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，提供一种具有优异韧性和抗弯能力，以及良好的耐磨耐蚀性能的合金涂层抽油光杆。

按照本发明提供的两段式喷焊涂层抽油光杆，其采用的主要技术方案为：包括基材和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材为一长直圆杆，一端为镦粗段，另一端为未镦粗段，所述基材两端端头上有可与抽油杆接箍连接的外螺纹，所述未镦粗段基材为长约1到3米的高强韧钢，所述高强韧钢中至少含有合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti中的两种元素，所述镦粗段基材为普通钢质基材，所述未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质基材采用焊接的方式连接在一起。

本发明提供的两段式喷焊涂层抽油光杆，还采用如下附属技术方案：

所述未镦粗段高强韧钢基材为中低碳钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于1000Mpa，抗拉强度不低于1100Mpa，延伸率不低于10％，断面收缩率不低于30％。

所述未镦粗段基材的高强韧钢，以质量百分比计，合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti的总含量为1％～5％。

所述未镦粗段高强韧钢基材的杆体直径大小和所述普通钢质一致，所述基材焊缝位置的直径大小也与杆体其它位置直径一致。

所述焊缝及其影响区宽度范围为5～50mm。

所述基材焊缝附近50-100mm范围的杆体在制备合金涂层之前，首先要进行调质热处理和表面机械纳米化处理。

所述合金涂层为镍基合金涂层，以质量百分比计，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。

所述镍基合金涂层厚度范围为0.05～0.30mm。

所述镍基合金涂层覆盖未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质镦粗段基材除端头螺纹外的杆体部分。

按照本发明提供的加工上述两段式喷焊涂层抽油光杆的工艺，主要包括以下步骤：

(1)采用惯性摩擦焊工艺将所述未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质基材焊接在一起，焊接过程中要确保未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质基材对中，使其轴线共线；

(2)在焊接的过程中利用焊缝的余热实时去除凸出杆体部分的焊缝，焊接结束后对焊缝位置进行打磨处理，确保焊缝位置的直径大小与杆体一致；

(3)采用中频感应线圈加热的方式对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体调质热处理，先进行淬火，再进行高温回火处理。调质热处理过程中，通过控制杆体移动速度对焊缝区域进行分段变温处理，在中频感应线圈同等加热功率条件下，分为高强韧钢母材、焊缝区和普通钢母材三个区域，根据具体钢材材质，采用慢-中-快的三种移动速度，从而实现不同区段不同的热处理温度；

(4)采用超声表面纳米化处理工艺对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体进行处理，采用硬质钢球，施加静载不低于200N，处理次数不少于3次，处理过程中杆体匀速转动，超声表面纳米化处理装置的压头在冲击光杆基材表面的同时匀速移动；

(5)将基材表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

(6)将镍基合金粉末采用火焰热喷涂后中频感应线圈加热重熔的工艺在基材表面制备镍基合金涂层；

(7)将制备镍基合金涂层后的抽油光杆进行表面抛光处理，获得本发明所述的抽油光杆。

按照本发明提供的一种两段式喷焊涂层抽油光杆及其加工工艺，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明中的光杆基材采用两段式结构，可以很好地改善涂层光杆的整体韧性和抗疲劳性能，同时解决了高合金钢在机加工和热处理等过程中存在的问题。针对光杆基材易发生断裂的光杆卡子下方100mm的重点部位，将包含重点部位在内的该光杆未镦粗段基材选为长约1到3米的高强韧钢，而光杆基材剩余的主体部分则采用普通钢质基材，这样处理既实现了优势集中，利用高强韧钢优异的抗弯和耐疲劳性能，有效解决光杆卡子下方100mm的断裂问题，同时由于高强韧钢长度非常有限，而且未镦粗段光杆基材的结构简单，无论机加工还是热处理工艺都好控制，因此不会引起成本的显著改善，也不会带来加工和热处理过程的困难。

2、本发明中的两段式光杆基材采用惯性摩擦焊接和特定的后处理工艺，确保了光杆基材连接部位的直线度和强度。首先，惯性摩擦焊因其快速和高精度的特点已经被广泛应用于机械加工行业，本发明采用惯性摩擦焊可以确保两段光杆基材连接后良好的直线度；其次，对于焊缝及其热影响区域，除了采用常规的调质热处理消除热影响外，还首次将机械表面纳米化技术引入，通过表面纳米化处理，使焊缝及其热影响区域的晶粒细化，从而显著改善其综合力学性能。

3.本发明中的两段式喷焊涂层抽油光杆加工工艺具有显著的技术优势。一是在摩擦焊接过程中对焊缝区域的外径尺寸进行实时控制，充分利用焊接预热进行机加工，不仅节约能量，而且更加高效；二是针对两段式光杆基材的高强韧钢和普通钢质基材之间成分和组织的显著差异，以及焊缝及其热影响区的过渡，采用相应的热处理工艺进行匹配处理，特别是采用可控性很强的中频感应线圈加热方式，通过控制光杆杆体移动速度对焊缝区域进行分段变温处理，在中频感应线圈同等加热功率条件下，分为高强韧钢母材、焊缝区和普通钢母材三个区域，根据具体钢材材质，采用慢-中-快的三种移动速度，从而便捷地实现不同区段不同的热处理温度。

4.本发明充分体现了物尽其用，除未镦粗段选用高强韧钢外，对光杆基材的镦粗段钢材选择没有太多限制，可以选择市场上任意材质的钢质光杆基材，便于推广应用。

5.在本发明两段式光杆基材表面制备镍基合金涂层后可以显著改善其耐磨和耐蚀性能，很好地解决抽油光杆的磨损、腐蚀和断裂问题。

附图说明

图1是本发明的光杆整体结构示意图。

图2是本发明的光杆基材结构示意图。

具体实施方式

参见图1，按照本发明提供的两段式喷焊涂层抽油光杆实施例，包括基材1和位于所述基材1表面的合金涂层2，所述基材1为一长直圆杆，一端为镦粗段3，另一端为未镦粗段4，所述基材两端端头5、6上有可与抽油杆接箍连接的外螺纹，所述未镦粗段4基材为长约1到3米的高强韧钢，所述高强韧钢中至少含有合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti中的两种元素，所述镦粗段3基材为普通钢质基材，所述未镦粗段4高强韧钢基材和所述镦粗段3普通钢质基材采用焊接的方式连接在一起。

本发明中的光杆基材采用两段式结构，可以很好地改善涂层光杆的整体韧性和抗疲劳性能，同时解决了高合金钢在加工和热处理等过程中存在的问题。针对光杆基材易发生断裂的光杆卡子下方100mm的重点部位，将包含重点部位在内的该光杆未镦粗段基材选为长约1到3米的高强韧钢，而光杆基材剩余的主体部分则采用普通钢质基材，这样处理既实现了优势集中，利用高强韧钢优异的抗弯和耐疲劳性能，有效解决光杆卡子下方100mm的断裂问题，同时由于高强韧钢长度非常有限，而且未镦粗段光杆基材的结构简单，无论机加工还是热处理工艺都好控制，因此不会引起成本的显著改善，也不会带来加工和热处理过程的困难。

所述未镦粗段4高强韧钢基材为中低碳钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于1000Mpa，抗拉强度不低于1100Mpa，延伸率不低于10％，断面收缩率不低于30％。所述未镦粗段4基材的高强韧钢，以质量百分比计，合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti的总含量为1％～5％，从而可以确保高强韧钢中的细晶作用得到充分体现，得到强度和韧性均优异的高强韧钢，所述未镦粗段4基材可在进行相应的热处理后再与所述镦粗段3普通钢质基材采用焊接的方式连接在一起，从而简化了不同材质光杆基材热处理难度。

参见图2，所述光杆基材1上还包括焊缝5，所述未镦粗段4高强韧钢基材的杆体直径大小和所述镦粗段3普通钢质基材一致，所述基材焊缝位置的直径大小与杆体其它位置直径一致。所述焊缝5及其热影响区的宽度范围为5～50mm，从而兼顾两段基材之间的冶金结合，并适当控制其热影响区的宽度，确保未镦粗段4高强韧钢的优异力学性能不降低，所述基材焊缝5附近50-100mm范围的杆体在制备合金涂层之前，首先要进行调质热处理和表面机械纳米化处理，从根本上避免焊缝5的应力集中和组织不均匀，使焊缝5及其影响区实现镦粗段3和未镦粗段4不同光杆材质之间的平缓过渡。

本发明中的两段式光杆基材采用惯性摩擦焊接和特定的后处理工艺，确保了光杆基材连接部位的直线度和强度。首先，惯性摩擦焊因其快速和高精度的特点已经被广泛应用于机械加工行业，本发明采用惯性摩擦焊可以确保两段光杆基材连接后良好的直线度；其次，对于焊缝及其热影响区域，除了采用常规的调质热处理消除热影响外，还首次将机械表面纳米化技术引入，通过表面纳米化处理，使焊缝及其热影响区域的晶粒细化，从而显著改善其综合力学性能。

所述合金涂层2为镍基合金涂层，以质量百分比计，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。所述镍基合金涂层2的厚度范围为0.05～0.30mm。所述镍基合金涂层2覆盖未镦粗段4高强韧钢基材和所述镦粗段3普通钢质基材除端头螺纹外的杆体部分。

按照本发明提供的加工上述两段式喷焊涂层抽油光杆的工艺，主要包括以下步骤：

(1)采用惯性摩擦焊工艺将未镦粗段4高强韧钢基材和所述镦粗段3普通钢质基材焊接在一起，焊接过程中要确保未镦粗段4高强韧钢基材和所述镦粗段3普通钢质基材对中，使其轴线共线；

(2)在焊接的过程中利用焊缝5的余热实时去除凸出杆体部分的焊缝，焊接结束后对焊缝5位置进行打磨处理，确保焊缝5位置的直径大小与杆体1一致；

(3)采用中频感应线圈加热的方式对基材焊缝5附近50-100mm范围的杆体调质热处理，先进行淬火，再进行高温回火处理。调质热处理过程中，通过控制杆体移动速度对焊缝5区域进行分段变温处理，在中频感应线圈同等加热功率条件下，分为高强韧钢母材、焊缝区和普通钢母材三个区域，根据具体钢材材质，采用慢-中-快的三种移动速度，从而实现不同区段不同的热处理温度；

(4)采用超声表面纳米化处理工艺对基材焊缝5附近50-100mm范围的杆体进行处理，采用硬质钢球，施加静载不低于200N，处理次数不少于3次，处理过程中杆体匀速转动，超声表面纳米化处理装置的压头在冲击光杆基材表面的同时匀速移动；

(5)将基材1表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

(6)将镍基合金粉末采用火焰热喷涂后中频感应线圈加热重熔的工艺在基材表面制备镍基合金涂层2；

(7)将制备镍基合金涂层2后的抽油光杆进行表面抛光处理，获得本发明所述的抽油光杆。

本发明中的两段式喷焊涂层抽油光杆加工工艺对两段式光杆基材具有显著的技术优势。一是在摩擦焊接过程中对焊缝区域的外径尺寸进行实时控制，充分利用焊接预热进行机加工，不仅节约能量，而且更加高效；二是针对两段式光杆基材的高强韧钢和普通钢质基材之间成分和组织的显著差异，以及焊缝及其热影响区的过渡，采用相应的热处理工艺进行匹配处理，特别是采用可控性很强的中频感应线圈加热方式，通过控制光杆杆体移动速度对焊缝区域进行分段变温处理，在中频感应线圈同等加热功率条件下，分为高强韧钢母材、焊缝区和普通钢母材三个区域，根据具体钢材材质，采用慢-中-快的三种移动速度，便捷地实现不同区段不同温度的热处理，从而获得优异的抗弯和抗疲劳性能。

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 (6)

1.一种两段式喷焊涂层抽油光杆，包括基材和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材为一长直圆杆，一端为镦粗段，另一端为未镦粗段，所述基材两端端头上有可与抽油杆接箍连接的外螺纹，其特征在于：所述未镦粗段基材为长1到3米的高强韧钢，所述高强韧钢中至少含有合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti中的两种元素，所述镦粗段基材为普通钢质基材，所述未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质基材采用焊接的方式连接在一起；

所述未镦粗段高强韧钢基材为中低碳钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于1000Mpa，抗拉强度不低于1100Mpa，延伸率不低于10％，断面收缩率不低于30％；

所述未镦粗段基材的高强韧钢，以质量百分比计，合金元素Ni、Co、Mo、Nb、V和Ti中所述高强韧钢至少含有的两种元素的总含量为1％～5％；

所述未镦粗段高强韧钢基材和所述普通钢质基材焊接形成的焊缝及其影响区宽度范围为5～50mm；

所述基材焊缝附近50-100mm范围的杆体在制备合金涂层之前，首先要进行调质热处理和表面机械纳米化处理。

2.如权利要求1所述的两段式喷焊涂层抽油光杆，其特征在于：所述未镦粗段高强韧钢基材的杆体直径大小和所述镦粗段普通钢质基材一致，所述基材焊缝位置的直径大小也与杆体其它位置直径一致。

3.如权利要求1所述的两段式喷焊涂层抽油光杆，其特征在于：所述合金涂层为镍基合金涂层，以质量百分比计，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3所述的两段式喷焊涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金涂层厚度范围为0.05～0.30mm。

5.如权利要求3所述的两段式喷焊涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金涂层覆盖未镦粗段高强韧钢基材和所述镦粗段普通钢质基材除端头螺纹外的杆体部分。

6.一种加工上述权利要求1-5任意一项所述的两段式喷焊涂层抽油光杆的工艺，主要包括以下步骤：

(1)采用惯性摩擦焊工艺将所述未镦粗段高强韧钢基材和所述镦粗段普通钢质基材焊接在一起，焊接过程中要确保未镦粗段高强韧钢基材和所述镦粗段普通钢质基材对中,使其轴线共线；

(2)在焊接的过程中利用焊缝的余热实时去除凸出杆体部分的焊缝材料，焊接结束后对焊缝位置进行打磨处理，确保焊缝位置的直径大小与杆体一致；

(3)采用中频感应线圈加热的方式对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体调质热处理，先进行淬火，再进行高温回火处理，调质热处理过程中，通过控制杆体移动速度对焊缝区域进行分段变温处理，在中频感应线圈同等加热功率条件下，分为高强韧钢母材、焊缝区和普通钢母材三个区域，根据具体钢材材质，采用慢-中-快的三种移动速度，从而实现不同区段不同的热处理温度；

(4)采用超声表面纳米化处理工艺对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体进行处理，采用硬质钢球，施加静载不低于200N，处理次数不少于3次，处理过程中杆体匀速转动，超声表面纳米化处理装置的压头在冲击光杆基材表面的同时匀速移动；

(5)将基材表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

(6)将镍基合金粉末采用火焰热喷涂后中频感应线圈加热重熔的工艺在基材表面制备镍基合金涂层；

(7)将制备镍基合金涂层后的抽油光杆进行表面抛光处理，获得所述的抽油光杆。