CN109253080B - 用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞，本柱塞包括柱塞本体、基体强化层和硬面工作层，所述基体强化层制备于所述柱塞本体表面，所述硬面工作层热喷涂于所述基体强化层表面。基体强化层由喷焊重熔或表面感应淬火得到，硬面工作层为金属陶瓷复合涂层并且通过超音速火焰热喷涂工艺在基体强化层基础上制备。本柱塞克服了传统柱塞无法满足油气田日益增长作业需求的缺陷，采用复合硬面强化技术对柱塞工作表面进行表面强化，制备基体强化层和硬面工作层的复合硬质涂层，提升了柱塞使用性能，延长使用寿命。

Description

用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞
技术领域
本发明涉及石油机械设备制造领域，尤其涉及一种用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞。
背景技术
近年来,随着油田压裂工艺的发展,配套酸化压裂设备中需要高压力、大排量、性能可靠、操作方便、工作平稳且结构紧凑合理的压裂泵,从而满足油田压裂作业需求。大功率柱塞泵满足以上需求，故应用柱塞泵已成为压裂作业的发展趋势。
柱塞泵由其动力端提供动力,来自动力端的动力通过连接装置传递到柱塞,使柱塞在阀箱内作往复直线运动,柱塞进出阀腔改变阀腔工作室体积；当柱塞离开阀腔时,工作室容积增大,压力降低,排出阀随之关闭,吸入阀打开,液体进入；当柱塞进入阀腔时,阀腔工作室体积减少,压力升高,吸入阀关闭,排出阀打开,排出液体,上述过程的不断循环往复,从而泵出高压液流。随着油田井深的增加以及压裂酸化半径的扩大,迫切需要强化压裂酸化工艺,即要求向井内注入高压力、高砂比、高酸度的压裂液体,这无疑使柱塞泵的工作条件变得更加苛刻,导致柱塞寿命降低。使用过程中柱塞表层磨损、拉伤、烧蚀和腐蚀的现象时有发生，柱塞损坏后压裂酸化作业液由柱塞外表面泄漏进入曲轴箱,使曲轴箱内的润滑油严重变质而失去润滑作用,造成曲轴箱内的关键零部件，如十字头、齿轮、拉杆、轴承等严重磨损、烧蚀和腐蚀,导致重大事故发生。作为柱塞泵易损件之一的柱塞部件频繁更换也大大增加了检修人员的工作量，降低了压裂施工作业效率。因此，对现有柱塞部件性能进行改善提高，从而延缓柱塞在工作运行中的磨损腐蚀,延长柱塞的使用寿命,对于提高柱塞泵的整体工作能力和可靠性具有至关重要的作用，也受到油田用户的普遍高度重视。
据统计柱塞的磨损、腐蚀、划痕沟槽三种失效方式占总失效次数的90％左右，是柱塞最主要的失效形式。因此利用表面涂层技术对柱塞表面进行强化，可增强柱塞表面硬度，改善柱塞表面的防腐耐磨性能，是提升柱塞使用寿命的关键路径之一。目前油气田上使用的柱塞一般采用表面镀铬或表面喷焊重熔镍基合金的方法进行表面强化，但使用寿命还是无法满足油田日益增加的压裂作业需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞，本柱塞克服了传统柱塞无法满足油气田日益增长的作业需求的缺陷，采用复合硬面强化技术对柱塞工作表面进行表面强化，制备基体强化层和硬面工作层的复合硬质涂层，提升了柱塞使用性能，延长使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞包括柱塞本体、基体强化层和硬面工作层，所述基体强化层制备于所述柱塞本体表面，所述硬面工作层热喷涂于所述基体强化层表面。
进一步，所述基体强化层采用喷焊重熔方法在柱塞本体表面制备镍基涂层或钴基涂层，涂层厚度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65。
进一步，所述基体强化层采用表面感应淬火方法对柱塞本体进行表面淬火处理，从而在柱塞本体表面获得淬硬层，淬硬层深度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65。
进一步，所述硬面工作层为金属陶瓷复合涂层并且采用超音速火焰热喷涂工艺在所述基体强化层基础上制备，所述金属陶瓷复合涂层所用粉末为WC金属陶瓷粉末中掺加5～10wt%的镍石墨，其中WC金属陶瓷粉末成分为：C5.0～6.0 wt% ，Cr3～5wt %，Co 8.5～11.0wt % ，W余量,所述镍石墨成分为：Ni75wt%，石墨25wt%，粉末粒径为15～60μm。
进一步，所述WC金属陶瓷粉末于120～150℃预热90～120min，金属陶瓷复合涂层厚度控制在0.05～0.3mm，超音速火焰热喷涂工艺参数为：氧气流量：1950～2150 scfh，煤油流量：22.7～25.2 gph，送粉率120～180g/min，送粉气流量：28 ～40scfh，喷涂距离400～500mm，喷涂角度：90º。
由于本发明用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞采用了上述技术方案，即本柱塞包括柱塞本体、基体强化层和硬面工作层，所述基体强化层制备于所述柱塞本体表面，所述硬面工作层热喷涂于所述基体强化层表面。基体强化层由喷焊重熔或表面感应淬火得到，硬面工作层为金属陶瓷复合涂层并且通过超音速火焰热喷涂工艺在基体强化层基础上制备。本柱塞克服了传统柱塞无法满足油气田日益增长的作业需求，采用复合硬面强化技术对柱塞工作表面进行表面强化，制备基体强化层和硬面工作层的复合硬质涂层，提升了柱塞使用性能，延长使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞包括柱塞本体1、基体强化层2和硬面工作层3，所述基体强化层2制备于所述柱塞本体1表面，所述硬面工作层3热喷涂于所述基体强化层2表面。
优选的，所述基体强化层2采用喷焊重熔方法在柱塞本体1表面制备镍基涂层或钴基涂层，涂层厚度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65。
优选的，所述基体强化层2采用表面感应淬火方法对柱塞本体1进行表面淬火处理，从而在柱塞本体1表面获得淬硬层，淬硬层深度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65。
优选的，所述硬面工作层3为金属陶瓷复合涂层并且采用超音速火焰热喷涂工艺在所述基体强化层2基础上制备，所述金属陶瓷复合涂层所用粉末为WC金属陶瓷粉末中掺加5～10wt%的镍石墨，其中WC金属陶瓷粉末成分为：C5.0～6.0 wt% ，Cr3～5wt %，Co 8.5～11.0wt % ，W余量,所述镍石墨成分为：Ni75wt%，石墨25wt%，粉末粒径为15～60μm。
优选的，所述WC金属陶瓷粉末于120～150℃预热90～120min，金属陶瓷复合涂层厚度控制在0.05～0.3mm，超音速火焰热喷涂工艺参数为：氧气流量：1950～2150 scfh，煤油流量：22.7～25.2 gph，送粉率120～180g/min，送粉气流量：28 ～40scfh，喷涂距离400～500mm，喷涂角度：90º。
本柱塞通过采用复合硬面强化技术对柱塞本体表面进行表面强化处理，制备基体强化层和硬面工作层的复合硬质涂层，大大提升了柱塞的使用性能，延长使用寿命。其中基体强化层可采用喷焊重熔方法制备镍基涂层或钴基涂层；针对中碳钢或中碳合金钢柱塞还可采用表面感应淬火方法获得一定厚度的淬硬层作为基体强化层。硬面工作层采用超音速热喷涂工艺制备金属陶瓷复合涂层。通过在柱塞表面制备复合硬质涂层大大提高了柱塞表面的抗刮擦及防腐耐磨的能力，延长了柱塞使用寿命，进而提升了油田压裂施工的效率和稳定性，大大降低了施工人员维护检修工作量，节约了使用成本，适合油气田作业现场的推广应用。
实施例1
柱塞本体材质选用40Cr，车加工至喷焊前尺寸，柱塞表面先制备1.2mm厚的镍基喷焊重熔层，喷焊重熔层硬度HRC55，磨削加工至要求尺寸后，在磨削加工好的喷焊Ni基重熔层上采用超音速火焰热喷涂工艺制备金属陶瓷复合涂层，金属陶瓷复合涂层所用粉末为WC金属陶瓷粉末中掺加5%的镍石墨，其中WC金属陶瓷粉末粉末成分为：C5.0wt % ，Cr4wt %，Co 8.5 wt % ，W余量。镍石墨成分为：Ni75wt%，石墨25wt%;粉末于120℃预热120min,热喷涂工艺参数如下：氧气流量：1950 scfh，煤油流量：22.7gph，送粉率:120 g/min，送粉气流量：28 scfh，喷涂距离400mm，喷涂角度：90º，涂层厚度控制在0.15mm；后加工至柱塞要求尺寸和粗糙度。
实施例2
柱塞基体材质选用45钢，对其工作段进行表面感应淬火处理，表淬深度3.5mm，硬度HRC57，机加工各尺寸至要求尺寸，然后在淬硬层上再制备金属陶瓷复合涂层，金属陶瓷复合涂层所用粉末为WC金属陶瓷粉末中掺加10%的镍石墨，WC金属陶瓷粉末成分为：C-6.0wt % ，Cr3 wt%，Co11.0wt % ，W余量。镍石墨成分为：Ni75wt%，石墨25wt%，粉末粒径为15-60μm。粉末于120℃预热120min。热喷涂工艺参数如下：氧气流量：2100 scfh，煤油流量：25gph，送粉率150 g/min，送粉气流量：40 scfh，喷涂距离450mm，喷涂角度：90º，涂层厚度0.25mm; 硬面工作层磨削抛光至柱塞要求尺寸及粗糙度，即得到成品柱塞。

Claims (2)

1.一种用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞，其特征在于：所述柱塞包括柱塞本体、基体强化层和硬面工作层，所述基体强化层制备于所述柱塞本体表面，所述硬面工作层热喷涂于所述基体强化层表面，所述基体强化层采用喷焊重熔方法在柱塞本体表面制备镍基涂层或钴基涂层，涂层厚度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65，或所述基体强化层采用表面感应淬火方法对柱塞本体进行表面淬火处理，从而在柱塞本体表面获得淬硬层，淬硬层深度为0.5～3.5mm、硬度为HRC45～65；
所述硬面工作层为金属陶瓷复合涂层并且采用超音速火焰热喷涂工艺在所述基体强化层基础上制备，所述金属陶瓷复合涂层所用粉末为WC金属陶瓷粉末中掺加5～10wt%的镍石墨，其中WC金属陶瓷粉末成分为：C5.0～6.0 wt% ，Cr3～5wt %，Co 8.5～11.0wt % ，W余量,所述镍石墨成分为：Ni75wt%，石墨25wt%，粉末粒径为15～60μm。
2.根据权利要求1所述的用于柱塞泵的长寿命复合涂层柱塞，其特征在于：所述WC金属陶瓷粉末于120～150℃预热90～120min，金属陶瓷复合涂层厚度控制在0.05～0.3mm，超音速火焰热喷涂工艺参数为：氧气流量：1950～2150 scfh，煤油流量：22.7～25.2 gph，送粉率120～180g/min，送粉气流量：28 ～40scfh，喷涂距离400～500mm，喷涂角度：90º。
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