CN201502521U - 抽油泵泵筒表面层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抽油泵泵筒表面层结构，目的是为了解决现有抽油泵泵筒表面层结构不耐腐蚀、不耐磨的问题，而提供的一种抽油泵泵筒表面层结构，是在抽油泵泵筒的表面形成有复合氮化层，复合氮化层为γ’相(Fe₄N)、ε相(Fe_2-3N)、Fe₃C、Fe₃O₄化合物层结构以及S、Al的相应化合物构成，复合氮化层是采用现有技术QPQ技术工艺获得的，其中用作抽油泵泵筒的材质为可氮化钢材料：如20#钢、35#钢、40#钢、CrMoAl类合金钢，本实用新型的有益效果：表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和耐疲劳性同时大幅度提高。

Description

抽油泵泵筒表面层结构

技术领域

本实用新型涉及一种抽油泵泵筒表面层结构。

背景技术

目前，大部分油井采出液出现“三高一低”的现象，即矿化度高、硫酸盐还原菌(SRB)含量高、二氧化碳(CO₂)含量高、PH值低，在这种腐蚀环境下，抽油泵泵筒很容易腐蚀，严重的会造成抽油泵泵筒腐蚀穿孔，必须进行更换作业，不仅增加了采油成本，也影响了油井生产。

为了增加抽油泵的使用寿命，提高抽油泵的耐腐蚀性，有些抽油泵的泵筒采用镀铬等电镀处理工艺解决上述问题，但是该镀铬层薄厚不均，很容易出现起皮、脱落现象，电镀层脱落后，裸露部分的抽油泵筒在高污染的环境下短时间内就会被腐蚀。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有抽油泵泵筒表面层结构不耐腐蚀、不耐磨的问题，而提供的一种抽油泵泵筒表面层结构。

本实用新型是在抽油泵泵筒的表面形成有复合氮化层，复合氮化层是由γ’相(Fe₄N)、ε相(Fe_2-3N)、Fe₃C、Fe₃O₄化合物以及S、Al的相应化合物构成。

复合氮化层是采用现有技术QPQ技术工艺获得的。

其中用作抽油泵泵筒的材质为可氮化钢材料：如20#钢、35#钢、40#钢、CrMoAl类合金钢。

复合氮化层的形成过程：

热处理基体强化工序会在油管的表面形成很薄的氧化膜，这层氧化膜对多元共渗有促进作用，油管表面多元共渗工序是在盐浴中进行的，包括分解、吸附、扩散三步。

第一步是分解，氰酸根在氮化盐的工作温度下，分解出活性的N原子和C原子。

第二部是吸附，活性的N原子和C原子向金属表面吸附，金属表面N的浓度逐渐升高，与金属表面形成一定的浓度差，在一定的温度下，正是这种浓度差使N原子和C原子向金属内部扩散。

第三步是扩散，已经吸附在金属表面的高浓度的N原子和C原子向金属内部扩散，由于N的原子半径仅为Fe原子半径的一半，而C原子的半径更小，所以N原子和C原子可以在铁的点阵间隙中进行扩散。

多元共渗工序最终形成的渗层组织是：最表面为ε氮化物(Fe₃N或Fe_2-3N)；向内为ε氮化物+γ’相(Fe₄N)；再向内为扩散层，即含氮、碳的固溶体。

表面氧化处理工序：泵筒在进行多元共渗工序以后在氧化盐浴中进行氧化处理，氧化处理后不但在油管的化合物层表面形成氧化膜，还有一部分氧以间隙式形式溶入化合物晶格中，使表面钝化，改善了表面的耐蚀性和耐磨性，氧化膜为铁的氧化物(Fe₃O₄)。

复合氮化层是在可氮化合金的基体上不断渗入N、C、O、S形成的，表层的ε相并非纯的铁的氮碳化物，其中含有合金元素，也可以称之为合金氮碳化物，这种合金氮碳化物比铁的氮碳化物硬度高，特别在含铝的合金钢中，铝的作用在于促进了氮沿晶界扩散，在过饱和过程中形成γ’相(Fe₄N)，增强了硬化作用。

本实用新型的有益效果：经过QPQ技术工艺处理的泵筒，其表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和耐疲劳性同时大幅度提高，通过试验：经处理的45#钢泵筒，达到淬火及高频淬火的16倍以上，疲劳极限提高40％左右，在大气中和盐雾中的抗腐蚀性比镀硬铬高16倍以上；经处理的20#钢泵筒，耐磨性达到渗碳淬火的9倍以上，是镀硬铬和气体氮化的2倍多；QPQ技术工艺取代了泵筒渗碳淬火、高频淬火、气体渗氮、调质、淬火等常规热处理和表面强化技术，提高了泵筒表面硬度和耐磨、耐疲劳性能。

附图说明

图1为本实用新型的剖面示意图。

1、泵筒2、复合氮化层。

具体实施方式

请参阅图1所示，泵筒1外表面和内表面为复合氮化层2，该复合氮化层2是由γ’相(Fe₄N)、ε相(Fe_2-3N)、Fe₃C、Fe₃O₄化合物以及S、Al的相应化合物构成，泵筒1的材质为可氮化钢，如：如20#钢、35#钢、40#钢、CrMoAl类合金钢，复合氮化层2的形成过程如下：

热处理基体强化工序会在泵筒1的表面形成很薄的氧化膜，这一层氧化膜对多元共渗有促进作用，泵筒1表面多元共渗工序是在盐浴中进行的，包括分解、吸附、扩散三步。

第一步是分解，氰酸根在氮化盐的工作温度下，分解出活性的N原子和C原子。

第二部是吸附，活性的N原子和C原子向金属表面吸附，金属表面N的浓度逐渐升高，与CrMoAl合金油管表面形成一定的浓度差，在一定的温度下，正是这种浓度差使N原子和C原子向金属内部扩散。

第三步是扩散，已经吸附在泵筒1表面的高浓度的N原子和C原子向金属内部扩散，由于N的原子半径仅为Fe原子半径的一半，而C原子的半径更小，所以N原子和C原子可以在铁的点阵间隙中进行扩散。

多元共渗工序最终形成的渗层组织是：最表面为ε氮化物(Fe₃N或Fe_2-3N)；向内为ε氮化物+γ’相(Fe₄N)；再向内为扩散层，即含氮、碳的固溶体。

表面氧化处理工序：泵筒在进行多元共渗工序以后在氧化盐浴中进行氧化处理，氧化处理后不但在泵筒1的化合物层表面形成氧化膜，还有一部分氧以间隙式形式溶入化合物晶格中，使表面钝化，改善了表面的耐蚀性和耐磨性，氧化膜为铁的氧化物(Fe₃O₄)。

复合氮化层2是在泵筒1上不断渗入N、C、O、S形成的，表层的ε相并非纯的铁的氮碳化物，其中含有合金元素，也可以称之为合金氮碳化物，这种合金氮碳化物比铁的氮碳化物硬度高，特别在CrMoAl合金油管中，铝的作用在于促进了氮沿晶界扩散，在过饱和过程中形成γ’相(Fe₄N)，增强了硬化作用。

Claims (2)

1.一种抽油泵泵筒表面层结构，泵筒的材质为可氮化钢，其特征在于：泵筒的表面形成有复合氮化层。

2.根据权利要求1所述的抽油泵泵筒表面层结构，其特征在于：所述可氮化钢的材质类型为20#钢或35#钢或40#钢或CrMoAl类合金钢。

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