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滲硼泵筒(碳氮硼共滲泵筒)

時間:2019-09-18 12:08

 
     
滲硼碳氮硼共滲)泵筒性能簡介
 
一 、以往的泵筒處理方法概述
          抽油泵是油田采油大量使用的設備之一,泵筒是抽油泵中最重要的零件,約占抽油泵造價的60%左右,泵筒生產時必須進行處理,以提高其內孔的表面硬度、耐磨性和防腐性。以往采用的工藝方法主要有以下幾種:
 
  1. 碳氮共滲:碳氮共滲是一種比較成熟的工藝方法,目前正在廣泛使用。為了增加滲層深度,泵筒一般用20鋼,900℃以上進行處理。共滲后需要淬火,變形比較大,需在淬火后進行強力珩磨。該工藝的問題是,在880℃以下時,滲入氮的含量比較理想,有一定的防腐作用,但整體滲層較薄,很難達到使用要求。在900℃以上時整體滲層較厚,而滲入氮的含量很少,防腐能力很低。
  2. 鍍硬鉻:泵筒內孔鍍硬鉻,可解決防腐、耐磨及硬度問題,但鍍鉻工藝造成環境污染極為嚴重,是盡量削減或取消的工藝。另外,鍍前需對內孔進行堿洗除油和酸洗活化處理,因內孔細長不易清洗,有時難免有不潔凈之處,導致鍍層和基體的結合強度不夠。在抽油過程中,因柱塞和泵筒間隙中的砂粒磨損、擠壓而拉傷脫皮,嚴重時造成卡泵事故。另外,鍍鉻層很怕硫酸和鹽酸,油井中的H2S和洗井后的酸殘液會大大縮短鍍鉻層的壽命。
  3. 化學鍍:也稱鎳磷復合鍍,其優缺點與鍍鉻大體相似。與鍍硬鉻相比,化學鍍鍍層的防腐和耐酸能力要略強一些,但化學鍍的鍍層一般都很薄,大約0.05mm左右,如此薄的鍍層,在抽油時極易拉傷,而要增加其厚度比較困難。
  4. 氮化:合格的氮化層,其硬度、防腐、耐磨性能都是不錯的。理想的氮化件材料應選用38CrMoAlA,價格昂貴。氮化一爐需要2~3天,甚至更長的時間,生產成本很高。另外,還有更難解決的問題是,泵筒為細長管件,氨氣從其內孔通過時,必須從一端流向另一端,而氨氣隨時都在分解,這就導致了入口端和出口端氨的分解率有很大區別,致使氮化層極不均勻,產品質量很難控制。所以說,氮化處理工件外表面或短件內孔還比較成熟,而處理細長內孔比較困難。
  5. 激光淬火:該工藝方法是,用一個激光導入裝置,在泵筒內軸向運動,激光垂直照向泵筒內孔表面,泵筒旋轉,光照點在內孔表面呈螺旋線軌跡運動。激光束很細,溫度極高,被照點瞬間升溫至接近熔化狀態。光照點始終在動,光點移開后,因被照過的高溫點與整個基體的溫差很大,而金屬又是熱的良導體,所以該點快速散熱降溫,達到淬火效果。由該工藝方法,我們不難發現,該工藝沒有改變材質,所以沒有提高其防腐性。另外,激光淬火形成的硬化帶是一個螺旋線,而非整個內表面。經過一段時間的腐蝕及泥砂磨損后,內表面的非硬化帶會呈現凹形螺旋,加大抽油泵的漏失量,降低泵效。
二、泵筒滲硼技術簡介
       本技術是對泵筒進行滲硼處理,采用固體滲劑,無廢水、廢氣排放,比較環保。滲后的泵筒表面金相組織為FeB和Fe2B,該表面具有極強的防腐蝕耐磨損能力,尤其是抗磨料磨損能力,遠非其它的泵筒表面可比。單就金屬滲硼來說,已有近百年的歷史。誰都知道滲硼后的表面防腐耐磨性能極好,但若把該技術用于泵筒這樣尺寸精度極高的細長管件卻絕非易事。1986年前后,曾有許多大企業和高等院校合作攻關(本發明人也參與了),想研制出滲硼泵筒,終因許多難題沒能攻破而宣告失敗。待攻克的主要難題是:
        第一,900℃以上滲硼,得到的滲層較理想,但泵筒變形較大(內徑公差>0.05mm),滲后無法珩磨,泵筒超差報廢,成品率很低。若880℃以下滲硼,泵筒變形較小,但滲層很不理想,層薄,且不連續。
        第二,滲后不進行淬火處理,基體太軟,在使用中無法承受泵筒與柱塞間隙中的砂粒擠壓,導致滲層碎裂脫落。若進行淬火處理,泵筒變形又太大。
        1986年以后,近30年的時間,本發明人一直在該領域不斷探索、試驗,不斷調整滲劑配方、工藝裝備和工藝方法,終于獲得成功,并于2015年9月獲得國家發明專利,專利號:ZL 201310166047.0。
        本發明的創新點主要有以下五個方面:
        第一,研究試驗出合適的滲劑配方,可在880℃獲得理想滲層。
        第二,經試驗比較,確定合適的溫度控制工藝曲線。
        第三,經試驗比較,確定了合適的滲入壓力,并設計出相應的控壓裝置。
        第四,設計出專用的井式爐及吊具,實現上述工藝要求,保證滲后泵筒幾乎不變形。
        第五,試驗研究出合適的冷卻方法及裝置,保證泵筒基體硬度達標,且冷卻后不變形。
三、滲硼泵筒性能
1. 滲層的金相組織
        滲層一般由FeB和Fe2B組成,也可獲得單相Fe2B的滲層。單相Fe2B滲層脆性較小,但硬度仍很高。為了區分滲層中這兩個相,可用三鉀試劑[K4Fe(CN)10g+ K4Fe(CN)8 ·3H2O 1g+KOH 30g+ H2O 100g]浸蝕,浸蝕后的FeB呈深褐色,Fe2B呈黃褐色。圖1為單相滲層,Fe2B呈針狀楔入基體。圖2為雙相滲層,外層為FeB,FeB針狀楔入Fe2B層中。內層為Fe2B,Fe2B楔入基體。



2.滲層的性能[3]
1)硬度,FeB顯微硬度1800~2200HV,Fe2B顯微硬度1200~1800HV。鋼中含碳量的增加,可減少雙相滲層中FeB的相對含量,并使FeB硬度降低(見下表)。

鋼 材 含碳量
(%)
溫度
(℃)
時間
(h)
成分相對含量(%) 顯微硬度(HV)
FeB Fe2B FeB Fe2B
工業純鐵 0.06 950 3 64 36 2100 1450
15鋼 0.13 950 3 58 42 2030 1440
40鋼 0.42 950 3 56 44 1860 1450
T7 0.74 950 3 54 46 1750 1430
      2)耐磨性,表面為FeB和Fe2B的工件比淬火、鍍鉻、滲氮工件具有更高的抗磨料磨損能力,圖3為泥漿泵襯套模型與橡膠活塞對磨時的失重損失,磨料為含石英砂的粘土溶液。
            1——40鋼滲硼(1300~1500HV)
            2——40鋼鍍鉻
            3——38CrMoAlA滲氮(940~1200HV)
            4——GCr15鋼高頻感應加熱淬火
            5——40鋼淬火
      3)耐腐蝕性,滲后工件在硫酸、鹽酸、磷酸及多種堿、鹽水溶液中有較好的耐腐蝕性能,但在硝酸中耐腐蝕性能較差。
      4)抗高溫氧化性能,在空氣中加熱到800℃,持續40h,滲層氧化增重極微。
      5)紅硬性,FeB及Fe2B在900℃時仍能保持很高的硬度[4]。

四、常用的泵筒表面硬度比較如下表
  碳氮共滲 鍍鉻 滲硼 石英砂
Fe2B FeB 人造 天然
洛氏硬度HRC 58~62.5          
努氏硬度HK 690~788          
維氏硬度HV 653~760 900~1160 1450 1860 1161 1364
莫氏硬度MM         7 7.5
對比結果   都換算成同一種硬度進行比較,可見只有滲硼的表面硬度值大于石英砂,其它都小于石英砂的硬度,所以難免磨損快、易劃傷。
 
五、本發明的滲層檢測標準
      本發明所獲得的滲層為國內首創,目前尚無國家標準,只能參照GB/T 18607-2008,制定相應的企業標準,以便對滲層的厚度和硬度進行質量控制,為生產和檢測提供依據,確保產品符合規定,并滿足用戶的需求。
下表為本發明處理的泵筒滲層組織、厚度及硬度檢測的企業標準:

  金相組織 顯微硬度
滲層厚度
≥0.08mm
FeB和Fe2B ≥HV1000
基體心部硬度 45鋼 HV185~254
 
注:上述企業標準制定的依據及相關說明
①  理論依據
      根據GB/T 18607-2008標準中表69對泵筒內表面硬化層的厚度、硬度及基體硬度值要求規定,上述企標符合要求。以鋼上鍍鉻為例(滲硼層的硬度及防腐性比碳氮共滲層高很多,防腐性與鍍鉻層接近,硬度比鍍鉻層還高),具體比對見下表:

國標規定(鋼上鍍鉻) 企標規定 比對結論
硬化層厚度 ≥0.076mm 滲層厚度 ≥0.08mm 高于國標
硬化層硬度 ≥HV900 滲層硬度 ≥HV1000 高于國標
基體心部硬度 HRA55~62
(相當于HV185~254)
基體心部硬度 HV185~254 等同于國標
 
② 工藝實現的可行性
    按照本公司的滲硼工藝方法,上述指標完全可以保證。如果再加厚滲層,勢必提高溫度、延長保溫時間,容易造成滲層以外的基體脫碳,反而使泵筒的綜合性能降低。
③ 實踐檢驗結果
    近幾年,本公司生產的泵筒一直采用滲硼處理,已在各油田使用多年,中間廠家每年也用本公司的泵筒數千支,甚至多家已銷往國外,反映一致很好。實踐證明,應用本工藝方法,按本企業標準檢測合格的泵筒,在使用過程中其防腐、耐磨等各種性能均是非常優異的。
④ 為了能真實準確地檢測出滲層的硬度及厚度,必須使用顯微硬度計,試驗力0.1Kg或1.0N,且在制作試塊時必須先對試塊進行鑲嵌,再研磨和拋光。具體檢測方法參照“JB/T 7709-2007”和“GB 9790-88”。
 
參考文獻
[1] 沈迪成、艾萬誠等,有桿抽油設備與技術:抽油泵第1版(P214),石油工業出版社,1994.7
[2] 朱沅浦、侯增壽等,熱處理手冊 第2版第1卷(P273),機械工業出版社,1991.7
[3] 朱沅浦、侯增壽等,熱處理手冊 第2版第1卷(P285~288),機械工業出版社,1991.7
[4] 雷廷權、傅家騏,熱處理工藝方法300種 第2版(P355),機械工業出版社,1993.9



 
 

 

 


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