CN114505656B

CN114505656B - 柱塞泵壳体的制作工艺、柱塞泵壳体及柱塞泵

Info

Publication number: CN114505656B
Application number: CN202210284024.9A
Authority: CN
Inventors: 孙建雄; 李晓斌; 宋新稳; 朱运国
Original assignee: Yantai Jereh Petroleum Equipment and Technologies Co Ltd
Current assignee: Yantai Jereh Petroleum Equipment and Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: WO2023179061A1; CN114505656A

Abstract

本发明公开一种柱塞泵壳体的制作工艺、柱塞泵壳体及柱塞泵，该柱塞泵壳体的制作工艺包括如下步骤：对中碳钢壳基体(100)进行调质处理；对调质处理后的所述中碳钢壳基体(100)进行加工，并将所述中碳钢壳基体(100)的内腔(110)加工至堆焊尺寸，所述堆焊尺寸大于所述内腔(110)的预设尺寸；在所述内腔(110)的侧壁上堆焊双相不锈钢层(200)；加工所述内腔(110)至所述预设尺寸。上述方案能够解决柱塞泵的安全性和可靠性较差的问题。

Description

柱塞泵壳体的制作工艺、柱塞泵壳体及柱塞泵

技术领域

本发明涉及油气田泵送设备技术领域，尤其涉及一种柱塞泵壳体的制作工艺、柱塞泵壳体及柱塞泵。

背景技术

柱塞泵是油气田生产工艺中高压泵送液体介质的主要设备。柱塞泵包括动力端壳体、液力端壳体、曲轴、挺杆和柱塞等部件，曲轴位于动力端壳体内，挺杆的一端穿入动力端壳体内，并与曲轴连接，挺杆的另一端位于动力端壳体之外，并与柱塞连接。柱塞的部分位于液力端壳体内。曲轴带动挺杆来回移动，从而使得挺杆带动柱塞来回移动，实现柱塞泵的吸液和排液。

柱塞泵的液力端壳体为积蓄液体介质的主要部件，相关技术中，液力端壳体的耐腐蚀性能较差，使得液力端壳体在酸性环境下极易出现应力腐蚀断裂，造成柱塞泵的安全性和可靠性较差。

发明内容

本发明公开一种柱塞泵壳体的制作工艺，以解决柱塞泵的安全性和可靠性较差的问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种柱塞泵壳体的制作工艺，包括：

对中碳钢壳基体进行调质处理；

对调质处理后的所述中碳钢壳基体进行加工，并将所述中碳钢壳基体的内腔加工至堆焊尺寸，所述堆焊尺寸大于所述内腔的预设尺寸；

在所述内腔的侧壁上堆焊双相不锈钢层；

加工所述内腔至所述预设尺寸。

一种柱塞泵壳体，所述柱塞泵壳体采用上述的柱塞泵壳体的制作工艺加工而成。

一种柱塞泵，包括上述的柱塞泵壳体。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本发明公开的制作工艺中，内腔的侧壁上堆焊双相不锈钢层，双相不锈钢层具有较好的耐腐蚀性，此时，耐腐蚀性的液体与双相不锈钢接触，与中碳钢壳基体不容易接触，从而提高了柱塞泵壳体的耐腐蚀性能，进而提高了柱塞泵的安全性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1和图2为本发明实施例公开的柱塞泵壳体的制作工艺流程图；

图3至图9为本发明实施例公开的柱塞泵壳体的剖视图。

附图标记说明：

100-中碳钢壳基体、110-内腔、200-双相不锈钢层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。

如图1至图9所示，本发明实施例公开一种柱塞泵壳体的制作工艺，该柱塞泵壳体可以为柱塞泵的动力端壳体，也可以为柱塞泵的液力端壳体。本申请实施例公开的柱塞泵壳体的制作工艺具体包括如下步骤：

S100、对中碳钢壳基体100进行调质处理。

中碳钢壳基体100是柱塞泵壳体的基体部件，调质是淬火和高温回火的综合热处理工艺，中碳钢壳基体100经过调质处理后保持较高强度，同时又具有较好的塑性和韧性，从而提高了中碳钢壳基体100的综合机械性能。中碳钢壳基体100的碳含量在0.3％至0.6％。具体地，中碳钢壳基体100淬火完成后在500至650℃的温度范围内进行回火处理。

S200、对调质处理后的中碳钢壳基体100进行加工，并将中碳钢壳基体100的内腔110加工至堆焊尺寸，堆焊尺寸大于内腔110的预设尺寸。

中碳钢壳基体100需要进行焊前加工，以加工出外形轮廓以及内腔等结构。此时，将中碳钢壳基体100加工至设计图纸所示的设计尺寸。而中碳钢壳基体100的内腔110需要进行堆焊操作，因此为了保证堆焊后的内腔110尺寸为设计图纸的设计尺寸，内腔110的加工尺寸需要进行扩大，从而为后续的堆焊层预留余量。这里的预设尺寸就是设计图纸所要求的设计尺寸。可选地，堆焊尺寸可以根据堆焊层的厚度进行选择。例如，在预设尺寸的基础上，可以将内腔110的侧壁单边尺寸扩大3.5mm，也就是说，预设尺寸单边扩大3.5mm就是堆焊尺寸。

S300、在内腔110的侧壁上堆焊双相不锈钢层200。

柱塞泵壳体由中碳钢壳基体100和堆焊在中碳钢壳基体100上的双相不锈钢层200组成。内腔110的侧壁与带有腐蚀性的液体接触，因此易被腐蚀，从而可以在与耐腐蚀性液体接触的位置堆焊双相不锈钢层200，双相不锈钢层200具有较好的耐腐蚀性能。双相不锈钢由奥氏体组织和铁素体组织或者奥氏体组织和铁素体组织以及一些其他合金元素组成。双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，因此双相不锈钢具有优良的韧性和焊接性，同时还具有较高的强度和耐腐蚀性。

可选地，双相不锈钢层200可以采用钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等焊接工艺，当然还可以采用其他焊接工艺，本文不作限定。

在双相不锈钢层200堆焊完成后，可以对双相不锈钢层200的尺寸进行检验，在厚度不足的部位可以进行补焊。

具体的焊接过程中，以柱塞泵壳体的液力端壳体为例，如图所示，将中碳钢壳基体100按照图4所示位置放置在工作台上沿第一方向(图4中X轴所示的方向)堆焊。然后翻转至图5所示位置，堆焊第一方向未焊接部分。翻转至图6所示的位置，沿内腔110的第二方向(图6中Y轴所示的方向)堆焊。再翻转至图7所示位置，堆焊第二方向未焊接的部分。然后翻转至图8所示的位置，沿内腔110的第三方向(图8中Z轴所示的方向)堆焊，再翻转至图9所示的位置，堆焊第三方向未堆焊的部分。

上述的第一方向可以为内腔110的纵向，第二方向可以为内腔110的横向，第三方向可以为内腔110的深度方向。

S400、加工内腔110至预设尺寸。

双相不锈钢层200堆焊完成后，对内腔110的尺寸进行精加工，从而使得内腔110的尺寸符合设计图纸的要求。

本申请公开的实施例中，内腔110的侧壁上堆焊双相不锈钢层200，双相不锈钢层200具有较好的耐腐蚀性，此时，耐腐蚀性的液体与双相不锈钢接触，与中碳钢壳基体100不容易接触，从而提高了壳体的耐腐蚀性能，进而提高了柱塞泵的安全性和可靠性。

此外，柱塞泵壳体具有较好的耐腐蚀性能，还能够延长柱塞泵壳体的使用寿命。另外，柱塞泵壳体采用的壳基体为中碳钢材质，内腔110堆焊双相不锈钢层200，因此其相比于柱塞泵壳体整体采用不锈钢材料制作的方式来说成本较低。

另外，中碳钢壳基体100经过调质后，中碳钢壳基体100的屈服强度增大，但是由于碳含量较高，焊接性能变差。因此本申请中选用焊接性能较好的双相不锈钢进行堆焊，因此能够提高对中碳钢壳基体100的焊接性能。

上述实施例中，中碳钢壳基体100在堆焊双相不锈钢层200的过程中，中碳钢壳基体100的碳含量较高，热影响区容易产生硬脆的马氏体组织，因此容易产生裂纹。

基于此，在另一种可选的实施例中，中碳钢壳基体100在焊前可以进行预热。因此在步骤S200之后还可以包括：

S500、将中碳钢壳基体100放入预热炉预热至第一预设温度，并在预热炉内保温第一预设工艺时间后，通过保温件包裹中碳钢壳基体100并从预设炉内取出中碳钢壳基体100。

此方案中，焊前对中碳钢壳基体100进行预热，从而防止产生马氏体等硬脆组织，从而减少焊接应力，进而不容易产生裂纹。另外，中碳钢壳基体100从预热炉取出之前用保温件包裹，从而防止中碳钢壳基体100从预热炉内取出后温度降低过快，避免造成中碳钢壳基体100的内应力增大，产生裂纹。

可选地，第一预设温度可为250℃至300℃之间，炉内保温的第一预设工艺时间可以是3小时。保温件可以为石棉布。当然，第一预设温度和第一预设工艺时间还可以为其他数值，本文不作限制。保温件也可以采用其他部件，本文也不作限制。

上述实施例中，当双相不锈钢层200的厚度较大时，单次堆焊的难度较大。为此，在另一种可选的实施例中，双相不锈钢层200包括依次堆焊的至少三层堆焊子层。在堆焊每层堆焊子层时，层间温度可以为200℃至300℃之间。此方案中，双相不锈钢层200采用多层堆焊的方式，每层堆焊子层的堆焊厚度较小，因此堆焊难度较小。

另外，层间温度在200℃至300℃之间，能够进一步防止在焊接的过程中产生硬脆组织，从而进一步避免堆焊过程中产生裂纹。

上述的层间温度是指多层堆焊层及母材在施焊下一焊层之前的瞬时温度，也可以理解为，当堆焊第一层堆焊子层时，层间温度是指中碳钢壳基体100的温度。在堆焊第二层堆焊子层时，层间温度是指第一层堆焊子层的温度。

上述实施例中，多层堆焊时，中碳钢壳基体100溶化到第一层堆焊子层的比例较高，因此造成堆焊子层的碳含量增加，碳能够加剧堆焊子层中的硫、磷等元素产生热裂纹。

基于此，在另一种可选的实施例中，在堆焊每层堆焊子层的过程中，双相不锈钢焊丝直径为0.8至1.4mm，基值电流为120A至130A之间，峰值电流为215A至230A之间，保护气体流量为10L/min至15L/min之间。此方案采用小直径焊丝、小电流进行堆焊，从而减小中碳钢壳基体100的溶深，从而降低中碳钢壳基体100溶化到第一层堆焊子层的比例，进而避免产生热裂纹。

另外，双相不锈钢焊丝直径在0.8至1.4mm之间，基值电流为120A至130A之间，峰值电流为215A至230A之间，既能够保证双相不锈钢焊丝容易熔化，便于熔敷金属完全铺张开，也能够防止双相不锈钢焊丝产生铁水流淌现象，提高双相不锈钢层200的成型性能。上述工艺参数还能够保证堆焊过程中，线能力小，从而不容易使得相比例失调，进而提高双相不锈钢层200的堆焊性能。

可选地，根据焊接工艺的不同保护气体的类型也不同，例如保护气体可以为氩气，当然也可以为其他气体，本文不作限制。

上述实施例中，焊接完成后，可以进行应力消除。具体地，在步骤S300之后，还可以包括：

S600，在第二预设温度下使焊接有双相不锈钢层200的中碳钢壳基体100保温第二预设工艺时间。此方案中，焊后在第二预设温度下保温，从而能够消除柱塞泵壳体的内部应力，进而能够防止产生裂纹的倾向。具体地，第二预设温度可以为200℃至350℃之间，第二预设工艺时间可以为2小时。

为了保证柱塞泵壳体的良品率，在消除应力后，还需要对柱塞泵壳体进行检测。在另一种可选的实施例中，在步骤S600之后，还可以包括：

S700、对焊接有双相不锈钢层200的中碳钢壳基体100进行渗透探伤操作，以确保无焊接缺陷。

此时，可以采用探伤设备对柱塞泵壳体进行探伤，从而检测柱塞泵壳体内部是否有裂纹，以确保柱塞泵壳体无焊接缺陷。

在另一种可选的实施例中，中碳钢壳基体100经过调质处理后，中碳钢壳基体100的抗拉强度可以大于或等于1000Mpa，硬度可以大于或等于33HRC，小于或等于38HRC。此时，中碳钢壳基体100具有较大的抗拉强度和硬度，因此中碳钢壳基体100具有较好的机械性能。

在另一种可选的实施例中，双相不锈钢层200的抗拉强度可以大于或等于820Mpa，屈服强度可以大于或等于780Mpa，负40℃的冲击功大于或等于34J。此时，双相不锈钢层200具有较好的机械性能，柱塞泵壳体在较差环境的条件下也能够保证较好的使用性能。

在另一种可选的实施例中，双相不锈钢层200采用非熔化极惰性气体钨极保护(Tungsten Inert Gas Welding，TIG)焊堆焊。TIG焊的钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流(<10A)下仍可稳定燃烧，因此焊接稳定性较好。TIG焊的原理为公知技术，本文不作赘述。

上述实施例中，内腔110可以包括通道和凹槽，通道的空间结构简单，因此可以采用自动TIG焊堆焊，从而减小劳动强度。凹槽的空间结构复杂，因此可以采用手动TIG焊堆焊。

具体的堆焊过程中，钨极直径可以为2.4mm，直流正极性，氩气为保护气，氩气的纯度可以为99.99％。TIG焊喷嘴的直径可以为12mm，在焊接的过程中，喷嘴到焊接工件的距离可以为12mm。当然，TIG焊喷嘴的直径与喷嘴到焊接工件的距离可以根据焊接电流的大小以及焊丝的直径进行设置。

在另一种可选的实施例中，双相不锈钢层200堆焊使用的双相不锈钢焊丝熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C≤0.02％，Si≤0.41％，Mn≤0.6％，Cr 24.0％～27.0％，Ni 8.5～10.5％，S≤0.002％，P≤0.021％，Mo2.5％～4.5％，N 0.20％～0.30％。此时，多种元素混合能够提高堆焊的双相不锈钢层200具有的力学性能，从而使得双相不锈钢层具有较好的力学性能。

基于上述柱塞泵壳体的制作工艺，本申请实施例还公开了一种柱塞泵壳体，该柱塞泵壳体可以采用上述任意一种柱塞泵壳体的制作工艺加工而成。

基于本申请实施例公开的柱塞泵壳体，本申请实施例还公开一种柱塞泵，该柱塞泵包括上述柱塞泵壳体。

本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种柱塞泵壳体的制作工艺，其特征在于，包括：

对中碳钢壳基体(100)进行调质处理；所述中碳钢壳基体(100)经过调质处理后，抗拉强度大于或等于1000Mpa；硬度大于或等于33HRC，小于或等于38HRC；

对调质处理后的所述中碳钢壳基体(100)进行加工，并将所述中碳钢壳基体(100)的内腔(110)加工至堆焊尺寸，所述堆焊尺寸大于所述内腔(110)的预设尺寸；

在所述内腔(110)的侧壁上堆焊双相不锈钢层(200)；在所述内腔(110)的侧壁上堆焊双相不锈钢层(200)的过程中，双相不锈钢焊丝直径为0.8至1.4mm，基值电流为120A至130A之间，峰值电流为215A至230A之间，保护气体流量为10L/min至15L/min之间；

加工所述内腔(110)至所述预设尺寸；

在对调质处理后的所述中碳钢壳基体(100)进行加工，并将所述中碳钢壳基体(100)的内腔(110)加工至堆焊尺寸之后，还包括：

将所述中碳钢壳基体(100)放入预热炉预热至第一预设温度，并在所述预热炉内保温第一预设工艺时间后，通过保温件包裹所述中碳钢壳基体(100)并从所述预热炉内取出所述中碳钢壳基体(100)；

在所述内腔(110)的侧壁上堆焊双相不锈钢层(200)之后，还包括：

在第二预设温度下对焊接有所述双相不锈钢层(200)的所述中碳钢壳基体(100)保温第二预设工艺时间；

其中，所述第一预设温度为250℃至300℃之间；所述第二预设温度为200℃至350℃之间；

所述双相不锈钢层(200)的抗拉强度大于或等于820Mpa；屈服强度大于或等于780Mpa；负40℃的冲击功大于或等于34J。

2.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，所述双相不锈钢层(200)包括依次堆焊的至少三层堆焊子层，在堆焊每层所述堆焊子层时，层间温度为200℃至300℃之间。

3.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于，在堆焊每层所述堆焊子层的过程中，双相不锈钢焊丝直径为0.8至1.4mm，基值电流为120A至130A之间，峰值电流为215A至230A之间，保护气体流量为10L/min至15L/min之间。

4.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，在第二预设温度下对焊接有所述双相不锈钢层(200)的所述中碳钢壳基体(100)保温第二预设工艺时间之后，还包括：

对焊接有所述双相不锈钢层(200)的所述中碳钢壳基体(100)进行渗透探伤操作，以确保无焊接缺陷。

5.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，所述双相不锈钢层(200)采用非熔化极惰性气体钨极保护焊堆焊。

6.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，所述双相不锈钢层(200)堆焊使用的双相不锈钢焊丝熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C≤0.02％，Si≤0.41％，Mn≤0.6％，Cr 24.0％～27.0％，Ni 8.5～10.5％，S≤0.002％，P≤0.021％，Mo2.5％～4.5％，N0.20％～0.30％。

7.一种柱塞泵壳体，其特征在于，所述柱塞泵壳体采用权利要求1至6中任一项所述的柱塞泵壳体的制作工艺加工而成。

8.一种柱塞泵，其特征在于，包括权利要求7中所述的柱塞泵壳体。