CN108581369A - 一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，包括以下步骤：步骤一车削；步骤二修补；步骤三去污；步骤四激光熔覆；步骤五表面处理。本发明不改变柱塞本体材质，在其表面进行重新镀层，既能使再制造的柱塞使用寿命较原品使用寿命得到延长，又能使柱塞重复利用，达到满足现场生产和降本增效的目的。本发明不仅适用于对旧柱塞的再制造，进行多次再制造，同样也可作为新柱塞表面镀层制作方法；本发明所设计的Ni基合金熔覆粉末以Ni元素为主，并添加了C、Cr、B、Si、Fe等元素。可以提高熔覆合金层的硬度、润湿性及耐腐蚀性，可以增强基材和熔覆层材料的相容性，减少熔覆层多道搭接时开裂现象。

Description

一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法
技术领域
本发明涉及机械设备部件再制造技术领域，更具体的涉及一种运用激光熔覆技术提升油田注水泵柱塞抗冲刷腐蚀性能的设计，属于油田生产设备易损部件修复再利用领域。
背景技术
我国石油矿产丰富、地域分布较广，但有些油井的地层压力较小，因此采油过程中需通过采油井旁边的注水井向目的油层注水为油层提供能量，驱动油流向油井流出，使其更易被开采。而注水井通过注水泵向井内注入高压液体从而增加富油区的压力，长庆油田注水泵为往复式柱塞泵，注水压力一般在15MPa-25MPa，在注入的过程中，注水泵中承受着大量的液体冲刷。除此之外，注入水分为清水和污水，污水存在较高的硫化物、氢化物、氯化物以及细菌，是导致部件损坏的主要原因之一。一般情况下，石油设备采用的材料为碳钢材料，此类材料的硬度较低，耐冲蚀性能较差，导致设备失效现象十分严重。柱塞是注水泵系统的核心部件，对控制泵内液体的流速及压力有着重要的作用。若柱塞表面被冲蚀过度，其密封性变差，会造成压力下降、能量损失等问题。
目前解决该问题的主要手段是通过两种方式来解决磨损问题，包括：（1）刷涂耐冲刷涂料；（2）整体采用高硬度材质进行制造。但是这两种技术在实际使用过程中都存在自身明显的不足：使用耐冲刷涂料刷涂在柱塞表面时，不能长时间经受流体冲刷，且在高温环境下不能被使用并容易出现脱层的问题，若冲刷露出金属层后，会因为防腐涂料与金属之间存在电位差而加速对柱塞的腐蚀；若采用高成本的高硬度材质如马氏体不锈钢材料为原材料，制造所需的各种零部件，虽然能起到一定耐硫化物，氢化物的腐蚀作用，但是对氯化物的腐蚀缓解情况不明显，且由于整体采用到高成本的马氏体不锈钢，单个零件的成本将提高1-1.5倍，大大的增加了采油的成本，且柱塞寿命未达到生产需求。
发明内容
为了克服现有油田生产中注水泵柱塞表面损坏频繁、寿命短，损坏后无有效修复手段，进行直接更换造成费用高、频繁更换劳动强度大等问题，本发明提供了一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法。本发明不改变柱塞本体材质，在其表面进行重新镀层，既能使再制造的柱塞使用寿命较原品使用寿命得到延长，又能使柱塞重复利用，达到满足现场生产和降本增效的目的。
本发明采用的技术方案为：
一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，包括以下步骤：
步骤一 车削；
步骤二 修补；
步骤三 去污；
步骤四 激光熔覆；
步骤五 表面处理。
所述步骤一中的车削指将表面失效的旧柱塞外表面进行车削加工，去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm～1.0mm。
所述步骤二中的修补指的是将步骤一处理后的柱塞表面的拉伤沟槽、点蚀凹坑可通过打磨清理，清理干净后，采用不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光。
所述的步骤三去污指的是将步骤二中修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
所述的步骤四激光熔覆指的是采用大功率半导体激光熔覆机对步骤三处理后的柱塞进行激光熔覆；所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末；激光熔覆时以氩气为保护气，采用锥形粉束同轴送粉方式，将上述粉末进行多道搭接激光熔覆。
所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末，包括下述质量百分比的原料：
C 1.0～2.5%；Cr 16.0～19%%；B 2.5～4.0%；Si 1.0～3.0%；Fe 4.0～6.0%；余量为Ni。
所述激光熔覆的功率为3.0kW～3.5kW、光斑宽度10mm以上，光斑扫描线速度5mm～10mm/s，搭接率30%～50%，熔覆后预留0.5mm～1.0mm精加工余量。
所述步骤四中经过处理的柱塞表面进行激光熔覆多道搭接，其韧性为283HV～298HV；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.0468V～0.172V和2.32×10-7 A/cm3～2.83×10-7A/cm3；盐雾腐蚀环境下熔覆层出现锈斑的时间为150h ～170h。
所述步骤五表面处理为在外圆磨床上将步骤四熔覆的柱塞外表面进行处理，表面磨削加工，砂轮选用100目号Si3N4大孔隙砂轮，磨削后的柱塞直径尺寸为d0-0.25mm，表面抛光度≤0.4µm。
本发明的有益效果为：
（1）本发明所述方案不仅适用于对旧柱塞的再制造，进行多次再制造，同样也可作为新柱塞表面镀层制作方法；
（2）本发明所设计的Ni基合金熔覆粉末以Ni元素为主，并添加了C、Cr、B、Si、Fe等元素。可以提高熔覆合金层的硬度、润湿性及耐腐蚀性，可以增强基材和熔覆层材料的相容性，减少熔覆层多道搭接时开裂现象。
（3）本发明所述方案采用的激光熔覆技术与上述合金粉末结合，其制作的涂层硬度≥60HRC，表面与基体为冶金结合，结合力≥400MPa，因此能长时间经受流体冲刷，高温环境下仍保持表面的完整性；
（4）本发明所述方案完全避免了传统有机涂料技术带来的环境污染问题，具有良好的环保性。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有油田生产中注水泵柱塞表面损坏频繁、寿命短，损坏后无有效修复手段，进行直接更换造成费用高、频繁更换劳动强度大等问题，本发明提供了一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法。本发明不改变柱塞本体材质，在其表面进行重新镀层，既能使再制造的柱塞使用寿命较原品使用寿命得到延长，又能使柱塞重复利用，达到满足现场生产和降本增效的目的。
一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，包括以下步骤：
步骤一 车削；
步骤二 修补；
步骤三 去污；
步骤四 激光熔覆；
步骤五 表面处理。
本发明提供的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，即不改变部件基体材质的前提下对其进行表面改性处理。具体过程包括车削、修补、去污、激光熔覆、表面处理5个步骤。经过这五个步骤本发明能达到以下效果：1.对失效柱塞的疲劳层进行去除处理；2.运用点焊将车削后的柱塞表面坑槽进行修补；3.对修复表面进行去污处理，以便于提高后期修复的质量；4.创新形成适用于油田注水环境的镍基粉末，并运用激光熔覆技术在柱塞表面制备耐磨耐腐蚀涂层；5.对熔覆后的柱塞表面进行打磨、抛光等处理。本发明可解决现有柱塞不能在高温、高压、高腐蚀环境下长期工作、损坏后直接更换的问题，该技术所制备涂层的表面硬度≥60HRC，涂层与基材可达到冶金结合（抗拉强度≥400MPa），表面抛光度≤0.4µm。因此，采用该技术再制造的柱塞与常规工艺所制造的柱塞相比，其耐磨性、耐腐蚀性以及使用寿命均有明显的优势。该技术可用于对服役期满，受损严重的柱塞的再制造，也可用于新品性能的提升。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述步骤一中的车削指将表面失效的旧柱塞外表面进行车削加工，去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm～1.0mm。
所述步骤二中的修补指的是将步骤一处理后的柱塞表面的拉伤沟槽、点蚀凹坑可通过打磨清理，清理干净后，采用不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光。
所述的步骤三去污指的是将步骤二中修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
所述的步骤四激光熔覆指的是采用大功率半导体激光熔覆机对步骤三处理后的柱塞进行激光熔覆；所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末；激光熔覆时以氩气为保护气，采用锥形粉束同轴送粉方式，将上述粉末进行多道搭接激光熔覆。
所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末，包括下述质量百分比的原料：
C 1.0～2.5%；Cr 16.0～19%%；B 2.5～4.0%；Si 1.0～3.0%；Fe 4.0～6.0%；余量为Ni。
所述激光熔覆的功率为3.0kW～3.5kW、光斑宽度10mm以上，光斑扫描线速度5mm～10mm/s，搭接率30%～50%，熔覆后预留0.5mm～1.0mm精加工余量。
所述步骤四中经过处理的柱塞表面进行激光熔覆多道搭接，其韧性为283HV～298HV；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.0468V～0.172V和2.32×10-7 A/cm3～2.83×10-7A/cm3；盐雾腐蚀环境下熔覆层出现锈斑的时间为150h ～170h。
所述步骤五表面处理为在外圆磨床上将步骤四熔覆的柱塞外表面进行处理，表面磨削加工，砂轮选用100目号Si3N4大孔隙砂轮，磨削后的柱塞直径尺寸为d0-0.25mm，表面抛光度≤0.4µm。
本发明不仅适用于对旧柱塞的再制造，进行多次再制造，同样也可作为新柱塞表面镀层制作方法；本发明所设计的Ni基合金熔覆粉末以Ni元素为主，并添加了C、Cr、B、Si、Fe等元素。可以提高熔覆合金层的硬度、润湿性及耐腐蚀性，可以增强基材和熔覆层材料的相容性，减少熔覆层多道搭接时开裂现象。本发明的激光熔覆技术与上述合金粉末结合，其制作的涂层硬度≥60HRC，表面与基体为冶金结合，结合力≥400MPa，因此能长时间经受流体冲刷，高温环境下仍保持表面的完整性；本发明所述方案完全避免了传统有机涂料技术带来的环境污染问题，具有良好的环保性。
实施例3：
基于上述实施例的基础上，本实施例中的实施方式为：
（1）本实施例中将表面失效的旧柱塞去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm，车削后柱塞外径54.5mm；
（2）将处理后的柱塞表面的点蚀凹坑清理干净后，采用ER309不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光，修补过程中留有0.5mm的加工余量，；
（3）将修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；
（4）配比激光熔覆用的Ni基合金粉末：将C、Cr、B、Si、Fe、Ni按照质量比进行混合；
激光熔覆镍基合金粉末按照下述质量百分比原料配制：
C-1.1%；Cr-16.5%%；B-3.4%；Si -2.6%；Fe -5.2%；Ni-71.2%。
（5）激光熔覆机的功率P为3.0kW、光斑宽度D为11.0mm、光斑扫描线速度8mm/s，搭接率33%，熔覆后预留0.6mm精加工余量。
（6）磨削后的柱塞直径尺寸为55mm，表面抛光度0.2µm。
（7）性能检测：激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为65HRC；结合强度460MPa，电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为0.0625V和2.46×10-7A/cm3；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆层出现锈斑的时间分别为72h和165 h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得到了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后，样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。
实施例4：
基于实施例1和2的基础上，本实施例中的实施方式为：
（1）本实施例中将表面失效的旧柱塞去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm，车削后柱塞外径49.5mm；
（2）将处理后的柱塞表面的点蚀凹坑清理干净后，采用ER309不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光，修补过程中留有0.5mm的加工余量；
（3）将修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；
（4）配比激光熔覆用的Ni基合金粉末：将C、Cr、B、Si、Fe、Ni按照质量比进行混合；
激光熔覆镍基合金粉末按照下述质量百分比原料配制：
C-2.1%；Cr-17.3%；B-2.8%；Si-1.3%；Fe- 4.9%；Ni-71.6%。
（5）激光熔覆机的功率P为3.0KW、光斑宽度D为13.0mm、光斑扫描线速度6mm/s，搭接率38%，熔覆后预留0.5mm精加工余量。
（6）磨削后的柱塞直径尺寸为50mm，表面抛光度0.4µm。
（7）性能检测：激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为65HRC；结合强度510MPa，电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为0.0305V和2.77×10-7A/cm3；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆层出现锈斑的时间分别为70h和162 h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得到了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后，样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。
基于实施例1和2的基础上，本实施例中的实施方式为：
（1）本实施例中将表面失效的旧柱塞去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm，车削后柱塞外径59.5mm；
（2）将处理后的柱塞表面的点蚀凹坑清理干净后，采用ER309不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光，修补过程中留有0.5mm的加工余量；
（3）将修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；
（4）配比激光熔覆用的Ni基合金粉末：将C、Cr、B、Si、Fe、Ni按照质量比进行混合；
激光熔覆镍基合金粉末按照下述质量百分比原料配制：
C-1. 5%；Cr-18.6%；B -2.9%；Si-1.1%；Fe -4.7%；Ni-71.2%。
（5）激光熔覆机的功率P为3.0KW、光斑宽度D为10.0mm、光斑扫描线速度5mm/s，搭接率43%，熔覆后预留0.5mm精加工余量。
（6）磨削后的柱塞直径尺寸为50mm，表面粗糙度0.2µm。
（7）性能检测：激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，物相以45#钢为主相、铁素体为辅相，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为63HRC；结合强度480MPa，电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为0.0524V和2.83×10-7A/cm3；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆层出现锈斑的时间分别为74h和170 h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得到了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后，样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。
表1 本发明与常规方法处理的柱塞性能对比表
上表可以看出，本发明的表面硬度高、盐雾腐蚀时间长且表面
结合力好。
表2 腐蚀实验腐蚀条件
本发明提供的这种方法可解决现有柱塞不能在高温、高压、高腐蚀环境下长期工作、损坏后直接更换的问题，该技术所制备涂层的表面硬度≥60HRC，涂层与基材可达到冶金结合（抗拉强度≥400MPa），表面抛光度≤0.4µm。因此，采用该技术再制造的柱塞与常规工艺所制造的柱塞相比，其耐磨性、耐腐蚀性以及使用寿命均有明显的优势。该技术可用于对服役期满，受损严重的柱塞的再制造，也可用于新品性能的提升。

Claims (9)

1.一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一 车削；
步骤二 修补；
步骤三 去污；
步骤四 激光熔覆；
步骤五 表面处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述步骤一中的车削指将表面失效的旧柱塞外表面进行车削加工，去除外表面上磨损部分，车削厚度0.5mm～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述步骤二中的修补指的是将步骤一处理后的柱塞表面的拉伤沟槽、点蚀凹坑可通过打磨清理，清理干净后，采用不锈钢焊丝进行点焊修补，修补后打磨抛光。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述的步骤三去污指的是将步骤二中修补后的柱塞去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.4μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述的步骤四激光熔覆指的是采用大功率半导体激光熔覆机对步骤三处理后的柱塞进行激光熔覆；所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末；激光熔覆时以氩气为保护气，采用锥形粉束同轴送粉方式，将上述粉末进行多道搭接激光熔覆。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述激光熔覆的所选用的金属材料为镍基合金粉末，包括下述质量百分比的原料：
C 1.0～2.5%；Cr 16.0～19%%；B 2.5～4.0%；Si 1.0～3.0%；Fe 4.0～6.0%；余量为Ni。
7.根据权利要求5所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述激光熔覆的功率为3.0kW～3.5kW、光斑宽度10mm以上，光斑扫描线速度5mm～10mm/s，搭接率30%～50%，熔覆后预留0.5mm～1.0mm精加工余量。
8.根据权利要求5所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述步骤四中经过处理的柱塞表面进行激光熔覆多道搭接，其韧性为283HV～298HV；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.0468V～0.172V和2.32×10-7 A/cm3～2.83×10- 7A/cm3；盐雾腐蚀环境下熔覆层出现锈斑的时间为150h ～170h。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的油田注水泵柱塞再制造方法，其特征在于：所述步骤五表面处理为在外圆磨床上将步骤四熔覆的柱塞外表面进行处理，表面磨削加工，砂轮选用100目号Si3N4大孔隙砂轮，磨削后的柱塞直径尺寸为d0-0.25mm，表面抛光度≤0.4µm。
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