CN109798075B - 一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，包括镦粗端头、杆体和封闭端头，所述杆体置于所述镦粗端头和所述封闭端头之间，所述杆体包括实心钢质芯杆和管状外层组成，所述管状外层至少包括第一外层和第二外层，所述管状外层由圆弧状钢条组成。本发明将涂层理念引入到无涂层的钢质抽油光杆上来，采用多层管壳状和分片式结构来显著改善抽油光杆的抗弯曲性能和耐疲劳性能，采用了强度和塑性等力学性能指标的递进式结构，很好的适应了抽油光杆在复杂交变应力下的形变特点，很好地满足了抽油光杆的复杂应力条件，有利于油田应用推广。
Description
技术领域
本发明涉及石油设备，更具体涉及一种抽油光杆及其加工工艺。
背景技术
作为国内外油田的主要采油部件之一，疲劳失效是一直困扰抽油光杆的主要问题之一。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，使得该位置的交变应力情况非常复杂，叠加了径向弯曲交变应力和轴向拉伸交变应力的共同作用，从而导致疲劳失效尤为显著。而为了解决磨损和腐蚀问题而出现的喷焊涂层光杆又因为表面涂层的硬度较高，与光杆基体之间的变形协调难度加大，导致疲劳断裂进一步加剧。虽然现在通过采用喷焊涂层成分中添加增韧组分、引入软质过渡层，以及综合选择涂层和光杆基材等方法一定程度上缓解了喷焊涂层的疲劳失效问题，但其改善效果较为有限，而根本上看，制备喷焊涂层光杆之前的抽油光杆本身的耐疲劳性能是根本所在。目前已有专利通过采用全新的高合金钢质材料作为光杆基材，疲劳性能得到显著改善，但其受成本很高，且生产环节控制难度也较大，更为重要的是大量高合金钢的使用造成了较严重的材料浪费，显著增大了加工成本和难度，限制了其大量推广应用。
因此，如何兼顾成本、结构和生产环节，大幅提高抽油光杆的抗弯能力和耐疲劳性能，直接关系到抽油光杆在油田的高效应用。
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，提供一种具有较好的耐疲劳性能和抗弯能力的抽油光杆。
按照本发明提供的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其技术方案如下：包括镦粗端头、杆体和封闭端头，所述杆体置于所述镦粗端头和所述封闭端头之间，所述杆体和所述镦粗端头的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝相连接，所述杆体和所述封闭端头的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝相连接，所述杆体包括实心钢质芯杆和管状外层组成，所述管状外层至少包括第一外层和第二外层，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述圆弧状钢条的长度与所述实心钢质芯杆一致，所述第一外层和第二外层均至少包括三个圆弧状钢条，所述实心钢质芯杆为中低碳铬钼合金钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于600MPa，抗拉强度不低于800 MPa，延伸率不低于10％，断面收缩率不低于30％；所述第一外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于800 MPa，抗拉强度不低于900 MPa，延伸率不低于12％，断面收缩率不低于50％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为1％～3％；所述第二外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于800 MPa，抗拉强度不低于950 MPa，延伸率不低于15％，断面收缩率不低于60％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为2％～5％。所述管状外层的层数可以根据需要和抽油光杆的直径不同来决定，层数增多，每一层的圆弧状钢条的厚度相应发生变化，每一层的圆弧状钢条的数量也可增多，每一层的所有所述圆弧状钢条的横截面组合后刚好构成一个完整的圆环。通常来说层数越多，由于形成了更多的层间界面，其耐疲劳性能改善的程度越显著。
本发明技术方案还包括如下特征：
所述镦粗端头和所述封闭端头的材质与所述杆体的所述实心钢质芯杆的材质一致。这样的设计兼顾了成本，也兼顾了后期摩擦焊接时，同种材料的焊接更为充分，焊接质量更好。
所述杆体和所述镦粗端头的横截面之间的焊缝宽度为10-20 mm，所述杆体和所述封闭端头的横截面之间的焊缝宽度为20-30 mm。焊缝的宽度均比通常的焊缝要宽很多，是为了使得杆体的管状外层与钢质芯杆之间实现充分的焊接，实现牢固的封闭和固定。
所述实心钢质芯杆的抗拉强度低于所述第一外层和所述第二外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度，所述实心钢质芯杆、所述第一外层的所述圆弧状钢条和所述第二外层的所述圆弧状钢条的延伸率依次增大，所述实心钢质芯杆、所述第一外层的所述圆弧状钢条和所述第二外层的所述圆弧状钢条的断面收缩率依次增大。
所述管状外层中，最外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度最高，延伸率最高，断面收缩率最高。以质量百分比计，对于合金元素Nb、V和Ti的总含量，任一处于更外一层的管状外层均不低于比其更靠近芯杆的任一管状外层。
所述管状外层中，不同外层的所述圆弧状钢条在纵向的接缝相互错开。
所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均通过有机强力粘结剂相互粘结在一起。
一种加工上述耐疲劳多层结构钢质抽油光杆的工艺，包括以下步骤：
（1）杆体的制备，首先将所述管状外层的所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均均匀涂抹有机强力粘结剂，然后按照顺序依次从所述实心钢质芯杆开始进行粘结，直到最外层所述管状外层粘结完毕，涂抹过程中所述实心钢质芯杆和所述圆弧状钢条两端各留出100 mm不涂抹有机强力粘结剂，以避免后期焊接时避免粘结剂对焊接产生不利影响；
（2）杆体和镦粗端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将封闭端头作为高速旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体端部100 mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与封闭端头接触前表面预热温度处于300-500 ℃，实现杆体端部与封闭端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，有利于封闭端头和杆体之间的合金元素在焊缝部分实现充分扩散，最终实现充分焊接；
（3）杆体和封闭端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将镦粗端头端头作为旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体前端100 mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与镦粗端头接触前表面预热温度处于300-500 ℃，实现杆体端部与镦粗端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，最终实现充分焊接；
（4）焊缝局部化热处理，采用中频感应线圈加热的方式对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体进行去应力回火加热处理，同时对可能产生的组织应力也进行缓解，并在室温条件下大气环境中进行自然冷却；
（5）表面机械抛光处理，将上一步获得的抽油光杆在砂带抛光机床上进行多级砂带打磨和抛光处理，使得抽油光杆表面粗糙度不超过0.8微米，即可获得所述的耐疲劳多层结构钢质抽油光杆。
按照本发明提供的一种抽油光杆与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明将涂层理念引入到无涂层的钢质抽油光杆上来，采用多层管壳状和分片式结构来显著改善抽油光杆的抗弯曲性能和耐疲劳性能。抽油光杆表面疲劳裂纹源形成的时间和疲劳裂纹形成后的扩展时间，是决定抽油光杆疲劳失效的主要方面，本发明采用多层壳状结构充分发挥了不同壳层材质的最大优势，实心钢质芯杆采用中低碳铬钼合金钢，其力学综合性能较好，服役过程中该中心位置的交变应力较小且较为简单，因此主要以承载为主，中低碳铬钼合金钢成本较低，完全可以满足要求；管状外层采用含有Nb、V和Ti元素且强度更高塑性更好的合金钢，即使处于应力更大更复杂的外层，也可以利用其优异的韧性和耐疲劳性能，满足服役工况对抗弯性能和疲劳性能的要求。
2、本发明采用了强度和塑性等力学性能指标的递进式结构，很好的适应了抽油光杆在复杂交变应力下的形变特点。所述管状外层中，最外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度最高，延伸率最高，断面收缩率最高。这种强度和塑性的递进设计既兼顾了从外层到内层应力和变形由大到小的变化规律，也使得相邻层的变形程度得到很好地协调和统一，最终使得抽油光杆的疲劳裂纹源形成的时间和疲劳裂纹形成后的扩展时间都得到显著延长，最终使得疲劳性能得到显著改善。
3、本发明采用了专门设计的加工工艺，使得抽油光杆的耐疲劳性能得到很好的保证。采用杆体两端端头均焊接处理的方式，使得杆体的壳层结构和多片式结构以冶金结合的方式从两端加以固定，摩擦焊焊缝宽度较厚的设计确保了杆体两端的杆体得到充分的冶金结合和成分扩散，从而使得杆体端部获得牢固的封闭，摩擦焊焊接开始之前的杆体前端100mm预热处理，使得在焊接过程中杆体部分的多个壳层的不同材质钢质材料更多更充分的参与塑性变形和元素扩散，最终获得良好的焊接质量。
4、本发明的综合成本更低，加工难度较好控制，更易于推广应用。本发明的抽油光杆仅在壳层采用了较高合金含量的片条状钢质材料，与整体采用高合金耐疲劳钢制材料抽油光杆相比，成本和加工难度明显降低，而且由于采用了壳层和分片状结构，特别是可以根据需要增加管状外层的数量和组成单个管状外层的圆弧状钢条的数量，使得外层较高合金含量材质的耐疲劳性能得到最大程度发挥，而即使在表层或某一特定管状外层的某一特定圆弧状钢条产生裂纹时，也因壳层和条片结构存在的异质界面使得裂纹的扩展得到极大限制，从而在一定条件下表现出比整体采用高合金耐疲劳钢质材料抽油光杆更好的耐疲劳性能。
附图说明
图1是本发明的抽油光杆典型结构示意图。
图2是本发明的镍基合金复合涂层杆体横截面的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
参见图1和图2，按照本发明提供的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其技术方案如下：包括镦粗端头3、杆体1和封闭端头2，所述杆体1置于所述镦粗端头3和所述封闭端头2之间，所述杆体1和所述镦粗端头3的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝4相连接，所述杆体1和所述封闭端头2的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝5相连接，所述杆体1包括实心钢质芯杆11和管状外层组成，所述管状外层包括第一外层12和第二外层13，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述圆弧状钢条的长度与所述实心钢质芯杆一致，所述第一外层12和第二外层13均包括三个圆弧状钢条，所述实心钢质芯杆11为中低碳铬钼合金钢，残余变形0.2%的屈服强度600 MPa，抗拉强度800MPa，延伸率10％，断面收缩率30％；所述第一外层12的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度800 MPa，抗拉强度900 MPa，延伸率12％，断面收缩率50％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为1％；所述第二外层13的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度800 MPa，抗拉强度950 MPa，延伸率15％，断面收缩率60％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为2％。
所述镦粗端头3和所述封闭端头2的材质与所述杆体1的所述实心钢质芯杆11的材质一致。
所述杆体1和所述镦粗端头3的横截面之间的焊缝4宽度为10-20 mm，所述杆体1和所述封闭端头2的横截面之间的焊缝5宽度为20-30 mm。
所述实心钢质芯杆11的抗拉强度低于所述第一外层12和所述第二外层13的所述圆弧状钢条的抗拉强度，所述实心钢质芯杆11、所述第一外层12的所述圆弧状钢条和所述第二外层13的所述圆弧状钢条的延伸率依次增大，所述实心钢质芯杆11、所述第一外层12的所述圆弧状钢条和所述第二外层13的所述圆弧状钢条的断面收缩率依次增大。
所述管状外层中，最外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度最高，延伸率最高，断面收缩率最高。
所述管状外层中，不同外层的所述圆弧状钢条在纵向的接缝相互错开。
所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均通过有机强力粘结剂相互粘结在一起。
实施例二
按照本发明提供的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其技术方案与实施例一基本相同，不同之处如下：所述管状外层包括第一外层、第二外层和第三外层，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述第一外层、第二外层和第三外层均包括五个圆弧状钢条，所述实心钢质芯杆为中低碳铬钼合金钢，残余变形0.2%的屈服强度670 MPa，抗拉强度840 MPa，延伸率11％，断面收缩率35％；所述第一外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度850 MPa，抗拉强度960 MPa，延伸率13％，断面收缩率52％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为1.4％；所述第二外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度870 MPa，抗拉强度970 MPa，延伸率16％，断面收缩率62％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为2.7％；所述第三外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度890 MPa，抗拉强度1050 MPa，延伸率17％，断面收缩率64％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为4.3％。
实施例三
按照本发明提供的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其技术方案与实施例一基本相同，不同之处如下：所述管状外层包括第一外层、第二外层、第三外层、第四外层和第五外层，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述第一外层、第二外层、第三外层、第四外层和第五外层均包括七个圆弧状钢条，所述实心钢质芯杆为中低碳铬钼合金钢，残余变形0.2%的屈服强度650 MPa，抗拉强度830 MPa，延伸率10％，断面收缩率32％；所述第一外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度830 MPa，抗拉强度940 MPa，延伸率12％，断面收缩率51％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为3％；所述第二外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度870 MPa，抗拉强度990 MPa，延伸率16.3％，断面收缩率62.5％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为5％；所述第三外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度890 MPa，抗拉强度1050 MPa，延伸率17％，断面收缩率64％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为5.5％；所述第四外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度900 MPa，抗拉强度1090MPa，延伸率17.1％，断面收缩率64.3％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为5.7％；所述第五外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2%的屈服强度950 MPa，抗拉强度1150 MPa，延伸率17.9％，断面收缩率65.7％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为7.3％。
一种加工上述三个实施例中的耐疲劳多层结构钢质抽油光杆的工艺，包括以下步骤：
（1）杆体的制备，首先将所述管状外层的所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均均匀涂抹有机强力粘结剂，然后按照顺序依次从所述实心钢质芯杆开始进行粘结，直到最外层所述管状外层粘结完毕，涂抹过程中所述实心钢质芯杆和所述圆弧状钢条两端各留出100 mm不涂抹有机强力粘结剂；通过有机粘结剂粘结，不仅实现了不同管状外层的圆弧状钢条与芯杆之间的逐层固结，而且实现了不同圆弧状钢条侧面之间的固结，而由于后一层外层的圆弧状钢条粘结时避开了前一层外层的接缝，因此使得固结效果更好；
（2）杆体和镦粗端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将封闭端头作为高速旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体端部100 mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与封闭端头接触前表面预热温度处于300-500 ℃，实现杆体端部与封闭端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，最终实现充分焊接；
（3）杆体和封闭端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将镦粗端头端头作为旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体前端100 mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与镦粗端头接触前表面预热温度处于300-500 ℃，实现杆体端部与镦粗端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，最终实现充分焊接；通上一部和本步骤的两次焊接，加上第一步有机粘结剂的粘结，实现了对芯杆部分的完全固定；
（4）焊缝局部化热处理，采用中频感应线圈加热的方式对基材焊缝附近50-100mm范围的杆体进行去应力回火加热处理，并在室温条件下大气环境中进行自然冷却；
（5）表面机械抛光处理，将上一步获得的抽油光杆在砂带抛光机床上进行多级砂带打磨和抛光处理，使得抽油光杆表面粗糙度不超过0.8微米，即可获得所述的耐疲劳多层结构钢质抽油光杆。
Claims (8)
1.一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，包括镦粗端头、杆体和封闭端头，所述杆体置于所述镦粗端头和所述封闭端头之间，所述杆体和所述镦粗端头的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝相连接，所述杆体和所述封闭端头的横截面之间由采用摩擦焊工艺焊接的焊缝相连接，所述杆体包括实心钢质芯杆和管状外层组成，所述管状外层至少包括第一外层和第二外层，所述管状外层由圆弧状钢条组成，所述第一外层和第二外层均至少包括三个圆弧状钢条，所述实心钢质芯杆为中低碳铬钼合金钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于600MPa，抗拉强度不低于800MPa，延伸率不低于10％，断面收缩率不低于30％；所述第一外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于800MPa，抗拉强度不低于900MPa，延伸率不低于12％，断面收缩率不低于50％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为1％～3％；所述第二外层的所述圆弧状钢条为强韧钢，残余变形0.2％的屈服强度不低于800MPa，抗拉强度不低于950MPa，延伸率不低于15％，断面收缩率不低于60％，以质量百分比计，合金元素Nb、V和Ti的总含量为2％～5％。
2.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述镦粗端头和所述封闭端头的材质与所述杆体的所述实心钢质芯杆的材质一致。
3.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述杆体和所述镦粗端头的横截面之间的焊缝宽度为10-20mm，所述杆体和所述封闭端头的横截面之间的焊缝宽度为20-30mm。
4.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述实心钢质芯杆的抗拉强度低于所述第一外层和所述第二外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度，所述实心钢质芯杆、所述第一外层的所述圆弧状钢条和所述第二外层的所述圆弧状钢条的延伸率依次增大，所述实心钢质芯杆、所述第一外层的所述圆弧状钢条和所述第二外层的所述圆弧状钢条的断面收缩率依次增大。
5.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述管状外层中，最外层的所述圆弧状钢条的抗拉强度最高，延伸率最高，断面收缩率最高。
6.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述管状外层中，不同外层的所述圆弧状钢条在纵向的接缝相互错开。
7.如权利要求1所述的一种耐疲劳多层结构钢质抽油光杆，其特征在于，所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均通过有机强力粘结剂相互粘结在一起。
8.一种加工上述权利要求1-7任意一项所述的耐疲劳多层结构钢质抽油光杆的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)杆体的制备，首先将所述管状外层的所述圆弧状钢条的内外表面和侧面均均匀涂抹有机强力粘结剂，然后按照顺序依次从所述实心钢质芯杆开始进行粘结，直到所述管状外层的最外层粘结完毕，涂抹过程中所述实心钢质芯杆和所述圆弧状钢条两端的内外表面和侧面各留出100mm不涂抹有机强力粘结剂；
(2)杆体和镦粗端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将镦粗端头作为高速旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体端部100mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与镦粗端头接触前表面预热温度处于300-500℃，实现杆体端部与镦粗端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，最终实现充分焊接；
(3)杆体和封闭端头的焊接，采用摩擦焊工艺，将封闭端头作为旋转部件，将杆体作为移动部件，在杆体前端100mm范围内采用感应线圈进行预加热处理，使得杆体端部与封闭端头接触前表面预热温度处于300-500℃，实现杆体端部与封闭端头在摩擦过程中发生充分塑性变形，最终实现充分焊接；
(4)焊缝局部化热处理，采用中频感应线圈加热的方式对所述杆体和所述镦粗端头的横截面之间的焊缝附近50-100mm范围的杆体进行去应力回火加热处理，并在室温条件下大气环境中进行自然冷却；
(5)表面机械抛光处理，将上一步获得的抽油光杆在砂带抛光机床上进行多级砂带打磨和抛光处理，使得抽油光杆表面粗糙度不超过0.8微米，即可获得所述的耐疲劳多层结构钢质抽油光杆。
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