專利名稱：：超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法。
背景技術(shù)：
：在石油行業(yè)中，抽油機(jī)有桿泵采油是一種人工舉升采油方式，以其設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，管理方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外各油田廣泛采用。抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵是有桿泵采油設(shè)備的三個(gè)主要組成部分，其中抽油桿是將抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給井下抽油泵進(jìn)行抽汲的部件。抽油光桿是抽油桿柱上部一根特殊的抽油桿，用來(lái)和井口密封盒配合密封抽油井口，因此工作條件比抽油桿更惡劣，除抽油光桿的工作條件外，上沖程時(shí)裸露在野外大氣中，下沖程時(shí)浸在井液中，因此光桿既受大氣腐蝕，又受井液腐蝕，不出油時(shí)還要承受高溫，在懸掛抽油桿柱時(shí)還要承受方卡子的預(yù)應(yīng)力，承受下面所有抽油桿柱產(chǎn)生的最大的載荷拉應(yīng)力，是工作條件最為苛刻的一根特殊的抽油桿。目前國(guó)內(nèi)的抽油光桿與抽油桿一樣，按照不同的強(qiáng)度等級(jí)由低到高分為C、K、D和H級(jí)。隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，井深逐漸增大、載荷逐漸增加、對(duì)抽油光桿的力學(xué)性能要求越來(lái)越高。目前的抽油桿生產(chǎn)多用20CrMo鋼，這種抽油桿在生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行淬火和高溫回火熱處理，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)成本高；同時(shí)這種鋼主要用于制造D級(jí)、K級(jí)等低強(qiáng)度級(jí)別的抽油桿，通過(guò)熱處理工藝提高強(qiáng)度來(lái)制造H級(jí)抽油桿，其產(chǎn)品的可靠性不高。另外，原油開采方式也從最初的自噴、水驅(qū)逐漸改為聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)，此外再加上稠油高溫采油，都加劇了對(duì)抽油光桿的腐蝕破壞作用。抽油光桿由于腐蝕而造成表面出現(xiàn)坑蝕，導(dǎo)致與盤根密封不緊密，造成漏油，污染環(huán)境。同時(shí)腐蝕破壞作用又加劇了抽油光桿的疲勞，降低光桿使用壽命，導(dǎo)致光桿失效而停井作業(yè)、損失產(chǎn)量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種力學(xué)性能達(dá)到目前行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)最高強(qiáng)度級(jí)別即H級(jí)，同時(shí)疲勞強(qiáng)度大大超過(guò)目前石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，并且抽油光桿表面具有耐腐蝕耐磨損涂層，以延長(zhǎng)抽油光桿在腐蝕環(huán)境下的使用壽命，通過(guò)使用這種高強(qiáng)度、高耐腐蝕的抽油光桿將有效減緩其腐蝕破壞作用，降低事故率，延長(zhǎng)使用時(shí)間，提高產(chǎn)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案一種超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，其特征是，它包括下列步驟一、低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材的制備按照下列重量百分比配制合金粉末混合物-碳0.06%0.11%，硅0.60%1.50%，錳1.60%2.2%，鉻0.90%2.70%,鉬0.20%0.40%，鎳《0.9%，銅《0.20%,磷《0.025%，硫《0.25%，余量為鐵；將上述合金粉末混合按照桿體基體低合金結(jié)構(gòu)鋼的配方在電爐中冶煉，將鋼液澆注成鋼錠；將上述鋼錠用軋機(jī)軋制成的方胚，再用連軋機(jī)采用控軋控冷工藝加熱溫度109(TC，終軋溫度90(TC，冷卻速度3。C/s將鋼坯軋制成圓鋼，剪成定尺低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材，空冷到室溫即可；二、抽油光桿毛坯的制備將獲得的低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材用冷拔機(jī)冷拔到抽油光桿標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，再利用抽油桿校直機(jī)進(jìn)行校直，將桿體一端利用液壓雙缸鐓粗機(jī)進(jìn)行端部鐓粗，然后使用車床對(duì)光桿兩端進(jìn)行螺紋加工形成抽油光桿毛坯；三、抽油光桿毛坯的表面噴涂用噴涂用合金粉末噴涂到抽油光桿毛坯上形成合金涂層，噴涂用合金粉末的重量百分比是鉻7%10%，鐵《4%，硅2.0%3.5%，硼1.5%2.5%，碳《0.4%，鎳79.6%85.1%;四、將具有上述合金涂層的抽油光桿毛坯進(jìn)行重熔冷卻利用中頻感應(yīng)加熱器對(duì)第四得到的光桿桿體進(jìn)行表面感應(yīng)加熱，使合金涂層中的金屬粉末充分熔化流動(dòng)，在重熔的同時(shí)，啟動(dòng)冷卻水水泵，利用冷卻水圈將從中頻感應(yīng)加熱器伸出來(lái)的重熔后的光桿桿體迅速降溫；五、抽油光桿的回火熱處理當(dāng)光桿完成重熔和冷卻后，利用中頻感應(yīng)加熱器對(duì)桿體進(jìn)行一次中溫回火熱處理；六、抽油光桿拋光處理利用砂帶對(duì)抽油光桿表面打磨拋光，使光桿表面合金涂層厚度為0.lram0.2mm范圍，即得到超高強(qiáng)度防腐抽油光桿。桿體所用鋼中各個(gè)組分含量的確定如下碳本發(fā)明中的超高強(qiáng)度抽油桿用鋼金相組織主要是貝氏體、鐵素體和少量殘余奧氏體，組織中無(wú)碳化物相存在，以避免碳化物對(duì)貝氏體鋼力學(xué)性能的惡性作用，從而改善貝氏體鋼的力學(xué)性能，因此碳的含量不宜過(guò)高，本發(fā)明中碳含量控制在0.06%0.11%的范圍內(nèi)。鉬鉬元素因?yàn)槟軌蛴行七t高溫轉(zhuǎn)變而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變幾乎沒有影響，因此鉬是貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼常用的合金元素。但是鉬的價(jià)格昂貴，從經(jīng)濟(jì)上考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量降低鉬的含量，本發(fā)明中鉬含量控制在0.20%0.40%范圍內(nèi)。錳錳元素主要通過(guò)固溶強(qiáng)化作用、增加貝氏體、鐵素體基體的固溶碳量來(lái)提高強(qiáng)度。此外，錳和鉬類似，能夠有效推遲高溫轉(zhuǎn)變。而錳又是相當(dāng)便宜的合金元素，因此在鋼中加入了高錳以降低鉬的用量。本發(fā)明中錳含量控制在1.60%2.2%范圍內(nèi)。硅硅元素可以強(qiáng)烈阻礙碳化物的形成，使鋼在貝氏體相變過(guò)程中不析出(或者極少析出)碳化物。此外，硅也是提高屈服強(qiáng)度的主要元素。但是過(guò)量的硅降低塑性。本發(fā)明中硅的含量控制在0.60%1.50%范圍內(nèi)。鎳少量的鎳元素和錳結(jié)合起來(lái)即會(huì)使鋼易產(chǎn)生貝氏體組織。鎳的價(jià)格非常高，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，盡量少用鎳元素。本發(fā)明中，鎳含量《0.9%鉻鉻元素可以提高鋼的淬透性，而且可以使鋼在冷卻過(guò)程中的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)分離，有利于形成貝氏體。本發(fā)明中鉻的含量控制在0.90%2.70%的范圍內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明的超高強(qiáng)度防腐抽油光桿，其桿體采用低合金結(jié)構(gòu)鋼，通過(guò)熱處理工藝和表面熱噴涂工藝和回火熱處理使桿體抗拉強(qiáng)度達(dá)到H級(jí)，同時(shí)疲勞強(qiáng)度也大大到石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。高強(qiáng)度加上超長(zhǎng)的抗疲勞性能，可以有效延長(zhǎng)抽油光桿的使用壽命，減少油井作業(yè)次數(shù)，提高油井產(chǎn)量。2、本發(fā)明的超高強(qiáng)度防腐抽油光桿桿體表面噴涂有一層耐腐蝕耐磨損合金涂層。在抽油光桿工作過(guò)程中，該涂層將帶有腐蝕介質(zhì)的原油和大氣與光桿基體隔絕開來(lái)，使得桿基體不易受到腐蝕破壞，從而有效延長(zhǎng)了光桿的使用壽命。圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施例方式實(shí)施例一，本發(fā)明超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，它包括下列步驟一、低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材的制備按照下列重量百分比配制合金粉末混合物碳0.06%，硅0.60%，錳1.60%，鉻0.90%，鉬0.20%，鎳0.9%，銅0.20%，磷0,025%，硫0.25%，余量為鐵；將上述低合金結(jié)構(gòu)鋼的配方在電爐中冶煉，將鋼液澆注成560kg的鋼錠。經(jīng)過(guò)O650Xl和O650X3軋機(jī)軋制成65mmX65mm2的方胚后，再由O400X1和①250X5連軋機(jī)采用控軋控冷工藝加熱溫度109(TC，終軋溫度900。C，冷卻速度3'C/s將鋼坯軋制成030圓鋼，剪成9米定尺的棒材，空冷到室溫即可；二、抽油光桿毛坯的制備將獲得的低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材用冷拔機(jī)冷拔到抽油光桿標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度9.14m，再利用葫蘆島市渤海石油機(jī)械廠的GJ-A型抽油桿校直機(jī)進(jìn)行校直；將桿體一端利用葫蘆島市遼西石油機(jī)具廠的YSG-200液壓雙缸鐓粗機(jī)進(jìn)行端部鐓粗，然后使用C616車床對(duì)光桿兩端進(jìn)行螺紋加工形成抽油光桿毛坯。三、抽油光桿的表面噴涂首先，將光桿毛坯穿過(guò)上海華儀感應(yīng)加熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KGPS-160KW/8KHZ型中頻感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈，柱塞的兩端通過(guò)帶有內(nèi)螺紋的連接桿、卡盤固定在柱塞固定車床上，柱塞固定車床具有可帶動(dòng)光桿的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和移動(dòng)裝置；然后讓柱塞以190轉(zhuǎn)/分鐘210轉(zhuǎn)/分鐘的速度轉(zhuǎn)動(dòng)著在中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈內(nèi)沿軸向以19隱/s21mm/s的速度移動(dòng)，在第一次移動(dòng)過(guò)程中，關(guān)閉中頻感應(yīng)設(shè)備不對(duì)桿體進(jìn)行加熱，使用砂帶打磨機(jī)用80弁砂帶壓在軸向運(yùn)動(dòng)著的光桿表面對(duì)光桿桿體從頭到尾打磨一遍，一方面減小桿體直徑尺寸約0.10.2mra預(yù)留出耐腐蝕耐磨損合金涂層的厚度，另一方面粗化桿體表面以提高熱噴涂粉末的附著力。完成打磨粗化后，打開中頻感應(yīng)加熱器，讓光桿反向移動(dòng)，使表面自始端至終端依次被中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈預(yù)熱一遍，預(yù)熱時(shí)，中頻感應(yīng)加熱器的輸出功率保持在19KW21KW，以除去柱塞表面的水分和提高柱塞表面的溫度，增加粉末粘接結(jié)合率，避免過(guò)多粉末撞擊在冷工件上所造成的反彈損耗，預(yù)熱一遍后即將中頻感應(yīng)加熱器電源關(guān)閉；同時(shí)被加熱后從加熱線圈端部伸出來(lái)的光桿桿體立刻用上海瑞發(fā)噴涂機(jī)械有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為QT-E20000-7/h的金屬粉末噴槍噴涂上耐腐蝕合金粉末，耐腐蝕合金粉末包括下列重量比的組份鉻7%，鐵1%，硅2.0%，硼1.5%，碳0.1%，鎳88.4%;直至噴涂到光桿桿體的末端，噴涂時(shí)噴涂用合金粉末是通過(guò)氣泵輸送到金屬粉末噴槍中的，并與氧氣和乙炔在金屬粉末噴槍中混合后從噴槍口送出，其中輸送到金屬粉末噴槍的氧氣流量為0.39m7h0.41m'7h，乙炔流量為0.79m:7h0.81m7h，氣泵的氣體壓力為0.023MPa0.025Mpa;光桿桿體終端噴完后，使光桿桿體以190轉(zhuǎn)/分鐘210轉(zhuǎn)/分鐘的速度轉(zhuǎn)動(dòng)著在中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈內(nèi)沿軸向以19ram/s21mra/s的速度再次向相反方向移動(dòng)，并用金屬粉末噴槍對(duì)柱塞桿體噴涂第二遍；如果涂層厚度要求較高則噴第三遍；四、將具有上述合金涂層的抽油光桿毛坯進(jìn)行重熔冷卻完成噴涂后，關(guān)閉噴槍，打開上海華儀感應(yīng)加熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KGPS-160KW/8KHZ型中頻感應(yīng)加熱器，對(duì)光桿桿體進(jìn)行表面感應(yīng)加熱，中頻感應(yīng)加熱器的輸出功率保持在108KW112KW，光桿桿體相對(duì)中頻感應(yīng)加熱器的線圈作轉(zhuǎn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，光桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為145轉(zhuǎn)/分鐘155轉(zhuǎn)/分鐘，沿軸向的移動(dòng)速度為13mm/s15mm/s，使粉末充分熔化流動(dòng)；在重熔的同時(shí)，啟動(dòng)冷卻水水泵，從加熱線圈伸出來(lái)的重熔后的光桿桿體在經(jīng)過(guò)冷卻水圈時(shí)被冷卻水迅速降溫。五、抽油光桿的回火熱處理當(dāng)光桿完成重熔和冷卻后，將冷卻水水泵關(guān)閉，同時(shí)將中頻感應(yīng)加熱器的輸出功率調(diào)整至3337KW，光桿桿體相對(duì)中頻感應(yīng)加熱器的線圈作轉(zhuǎn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，光桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為145轉(zhuǎn)/分鐘155轉(zhuǎn)/分鐘，沿軸向的移動(dòng)速度為13mm/s15mm/s，讓光桿反向再次從頭至尾通過(guò)中頻感應(yīng)加熱線圈，使桿體進(jìn)行一次中溫回火熱處理；通過(guò)重熔、冷卻和回火處理這一個(gè)來(lái)回的運(yùn)動(dòng)，光桿完成了表面涂層重熔和桿體熱處理兩個(gè)工藝，一方面，該噴涂層通過(guò)重熔工藝與柱塞基體材料形成冶金結(jié)合，涂層的成分與基體的成分在重熔過(guò)程中相互擴(kuò)散滲透，在涂層和基體材料之間存在一定厚度的過(guò)渡區(qū)，使得涂層到基體的成分變化相對(duì)緩慢，避免了形成成分突變的界面，也就避免了電鍍鉻涂層在表面出現(xiàn)缺陷后因腐蝕的擴(kuò)展導(dǎo)致涂層大片脫落的問(wèn)題，另一方面，光桿桿體通過(guò)感應(yīng)加熱到高溫又迅速冷卻然后經(jīng)過(guò)中溫回火，而使桿體基材發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，冷卻到室溫后桿體力學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)達(dá)到現(xiàn)有抽油桿最高強(qiáng)度級(jí)別H級(jí)，同時(shí)疲勞強(qiáng)度大幅度超過(guò)目前石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。六、抽油光桿拋光處理完成重熔和熱處理的光桿再次反向運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉中頻感應(yīng)加熱設(shè)備和水冷卻設(shè)備，打開砂帶打磨機(jī)用200#砂帶對(duì)光桿表面打磨拋光，使桿體直徑達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)光桿表面合金涂層厚度也達(dá)到0.lmm0.2mm范圍，即得到超高強(qiáng)度防腐抽油光桿成品。實(shí)施例二，本發(fā)明超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，它的制作步驟同實(shí)施例一，不同之處在于1、第一步中制作低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材所用合金粉末混合物中各化學(xué)成分重量百分比為碳0.11%,硅1.50%，錳2.2%，鉻2.70%，鉬0.40%，鎳O.9%，銅O.20%，磷0.025%，硫O.25%，余量為鐵；2、第三步桿體表面耐腐蝕合金涂層中各化學(xué)成分重量百分比為鉻10%，鐵4%，硅3.5%，硼2.5%，碳0.4%，鎳79.6%。實(shí)施例三，本發(fā)明超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，它的制作步驟同實(shí)施例一，不同之處在于1、第一步中制作低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材所用合金粉末混合物中各化學(xué)成分重量百分比為碳0.08%，硅0.70%，錳1.70%,鉻1.20%，鉬0.25%，鎳O.4%，銅O.15%，磷O.02%，硫O.20%，余量為鐵；2、第三步桿體表面耐腐蝕合金涂層中各化學(xué)成分重量百分比為鉻8%，鐵1.5%，硅2.5%，硼1.8%，碳0.15%，鎳86.05%。實(shí)施例三，本發(fā)明超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，它的制作步驟同實(shí)施例一，不同之處在于1、第一步中制作低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材所用合金粉末混合物中各化學(xué)成分重量百分比為碳O.10%，硅1.30%，錳2.0%，鉻2.40%，鉬O.35%，鎳O.7%，銅O.17%，磷0.022%，硫0.22%，余量為鐵；2、第三步桿體表面耐腐蝕合金涂層中各化學(xué)成分重量百分比為鉻9%，鐵3.4%，硅3.1%，硼2.2%，碳0.34%,鎳81.96%。通過(guò)本發(fā)明制作的超高強(qiáng)度防腐抽油光桿，如圖1所示，它是一種柔性長(zhǎng)桿，桿體3的兩端有可與抽油桿接箍連接的外螺紋1、4，桿體3的一端臨近外螺紋處具有墩粗5，在光桿外表面噴涂有一層耐腐蝕耐磨損合金涂層2,桿體表面耐腐蝕合金涂層2的厚度為0.10.2mm。如果耐腐蝕涂層2的厚度小于0.lmm，則不能完全保證抽油光桿在正常使用時(shí)期內(nèi)的正常磨損消耗。實(shí)施例一、二、三、四制作的超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的力學(xué)性能見表一。表一超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的各實(shí)施例的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種超高強(qiáng)度防腐抽油光桿的制作方法，其特征是，它包括下列步驟一、低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材的制備按照下列重量百分比配制合金粉末混合物碳0.06％～0.11％，硅0.60％～1.50％，錳1.60％～2.2％，鉻0.90％～2.70％，鉬0.20％～0.40％，鎳≤0.9％，銅≤0.20％，磷≤0.025％，硫≤0.25％，余量為鐵；將上述合金粉末混合按照桿體基體低合金結(jié)構(gòu)鋼的配方在電爐中冶煉，將鋼液澆注成鋼錠；將上述鋼錠用軋機(jī)軋制成的方胚，再用連軋機(jī)采用控軋控冷工藝加熱溫度1090℃，終軋溫度900℃，冷卻速度3℃/s將鋼坯軋制成圓鋼，剪成定尺低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材，空冷到室溫即可；二、抽油光桿毛坯的制備將獲得的低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材用冷拔機(jī)冷拔到抽油光桿標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，再利用抽油桿校直機(jī)進(jìn)行校直，將桿體一端利用液壓雙缸鐓粗機(jī)進(jìn)行端部鐓粗，然后使用車床對(duì)光桿兩端進(jìn)行螺紋加工形成抽油光桿毛坯；三、抽油光桿毛坯的表面噴涂用噴涂用合金粉末噴涂到抽油光桿毛坯上形成合金涂層，噴涂用合金粉末的重量百分比是鉻7％～10％，鐵≤4％，硅2.0％～3.5％，硼1.5％～2.5％，碳≤0.4％，鎳79.6％～85.1％；四、將具有上述合金涂層的抽油光桿毛坯進(jìn)行重熔冷卻利用中頻感應(yīng)加熱器對(duì)第四得到的光桿桿體進(jìn)行表面感應(yīng)加熱，使合金涂層中的金屬粉末充分熔化流動(dòng)，在重熔的同時(shí)，啟動(dòng)冷卻水水泵，利用冷卻水圈將從中頻感應(yīng)加熱器伸出來(lái)的重熔后的光桿桿體迅速降溫；五、抽油光桿的回火熱處理當(dāng)光桿完成重熔和冷卻后，利用中頻感應(yīng)加熱器對(duì)桿體進(jìn)行一次中溫回火熱處理；六、抽油光桿拋光處理利用砂帶對(duì)抽油光桿表面打磨拋光，使光桿表面合金涂層厚度為0.1mm～0.2mm范圍，即得到超高強(qiáng)度防腐抽油光桿。全文摘要本發(fā)明涉及一種超高強(qiáng)度抽油光桿的制作方法，它包括下列步驟1.低合金結(jié)構(gòu)鋼棒材的制備；2.抽油光桿毛坯的制備；3.抽油光桿毛坯的表面噴涂；4.將具有上述合金涂層的抽油光桿毛坯進(jìn)行重熔冷卻；5.抽油光桿的回火熱處理；6.抽油光桿拋光處理，最后得到超高強(qiáng)度防腐抽油光桿。通過(guò)這種方法制作的抽油光桿適用于工作環(huán)境腐蝕嚴(yán)重的油井，同時(shí)也大幅度延長(zhǎng)光桿的使用時(shí)間，減少作業(yè)次數(shù)，提高油田開發(fā)產(chǎn)量。文檔編號(hào)E21B17/00GK101187295SQ200710188009公開日2008年5月28日申請(qǐng)日期2007年11月21日優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日發(fā)明者吳振寧,張庚娟,賀志剛,軒翠霞,黃錦濱申請(qǐng)人:安東石油技術(shù)(集團(tuán))有限公司