專利名稱：一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬桿管的加工領(lǐng)域，涉及一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，可以用來提高細長管件的耐磨性和耐蝕性，延長管件的使用壽命，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
細長管件是石油石化行業(yè)以及其它工農(nóng)業(yè)部門大量使用的部件。抽油泵泵筒長度一般為3-9m，而直徑一般小于90mm，屬于細長管件。油管和套管是油氣田開發(fā)時下入油井套管內(nèi)的管柱鋼管，是原油從地下輸送到地面的通道和支撐，也都屬于細長管件的范疇。它們在油氣田開發(fā)中都大量米用。目前，我國油、氣田開發(fā)大部分已進入中、高含水期，井液中富含H2S、C02、02、Cl-等腐蝕介質(zhì)。同時井深結(jié)構(gòu)的影響造成各種管件彎曲，管柱在工作中受交變載荷的影響 也會產(chǎn)生彎曲變形，從而造成抽油桿、油管和套管三者之間的相互偏磨，腐蝕和磨損的相互作用引起油管和套管穿孔失效。抽油泵泵筒與柱塞是一對重載摩擦副，在強腐蝕介質(zhì)中，泵筒也面臨著嚴(yán)重到腐蝕和磨損失效。這些都大大增加了油田開發(fā)成本。腐蝕性介質(zhì)一般在細長管件內(nèi)部流動，摩擦副相互運動也在內(nèi)壁進行，因此有必要對各種細長管件內(nèi)壁進行強化。然而，由于受到形狀和尺寸的限制，目前可以采用的內(nèi)壁強化方法較少，主要有表面涂鍍和化學(xué)熱處理兩大類。表面涂鍍主要有化學(xué)鍍Ni-P、電鍍Cr、電鍍W等方式，化學(xué)熱處理主要包括滲碳、滲氮，另外，管件內(nèi)壁的表面防護方式還有內(nèi)襯高密度聚乙烯(HDPE)、玻璃鋼、不銹鋼等耐磨耐蝕材料等?；瘜W(xué)鍍Ni-P鍍層具有優(yōu)良的耐蝕性、焊接性和減摩效果，不受鍍件尺寸的限制，但鍍層較薄、與基體結(jié)合力弱、硬度低、耐磨性較差且鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定，另外化學(xué)鍍鍍液具有污染性，對環(huán)境危害很大，這嚴(yán)重限制了該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。鍍Cr層具有光亮、堅硬(硬度為800 1000HV0. 2)、抗變色、耐熱、耐磨等特點，但鍍Cr過程會產(chǎn)生鉻霧，會對工人和環(huán)境造成很大的危害。與鍍Cr相比，電鍍W有明顯的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢。二者在表面處理方面都獲得了一定程度的應(yīng)用，但由于鍍層與基體的結(jié)合為機械結(jié)合，結(jié)合力較弱，鍍層易脫落，尤其在磨粒磨損的高應(yīng)力腐蝕環(huán)境中，鍍層脫落后會成為腐蝕源，從而加速基體的腐蝕。滲碳可以保證材料良好的硬度和耐磨性，但耐蝕性較差，且滲碳溫度高、時間長，工件變形嚴(yán)重；與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而工件畸變小，但滲氮時間長，滲氮層很脆，另外，由于心部硬度較低，滲層也較淺，只能滿足承受輕度、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的零部件。碳鋯復(fù)合樹脂涂料是將具有自潤滑性能的非金屬和超硬金屬材料與環(huán)氧、尼龍等樹脂復(fù)合而成。將碳鋯復(fù)合樹脂涂料在一定條件下通過熱熔融方式涂覆在管件內(nèi)表面，經(jīng)高溫固化后形成碳鋯復(fù)合樹脂內(nèi)涂層的技術(shù)。固化后生成的保護涂層呈網(wǎng)狀交聯(lián)，在微觀上有一定的孔洞，具有微觀彈性，能減輕一定的正壓力作用產(chǎn)生的磨損，具有超強耐磨和優(yōu)良防腐雙重性能，但成本偏高。
內(nèi)襯HDPE是在鋼制普通油管內(nèi)襯一層特種聚乙烯管，采用專用技術(shù)使襯管與油管貼在一起，形成“管中管”結(jié)構(gòu)。這種內(nèi)襯油管不僅可以解決油管偏磨與腐蝕難題，同時由于聚乙烯管摩擦系數(shù)較低，還可降低油井光桿負(fù)荷、抽油桿柱底部應(yīng)力。由于聚乙烯材料耐熱性差，它們不能用于高壓氣井和溫度超過210°C的井下工況。襯里使油管的內(nèi)徑略微縮小，且腐蝕液容易從端部滲入，造成管件的腐蝕和襯里的剝離。另外，泵、抽油桿、抽油桿接箍上的尖銳邊緣和嚴(yán)重麻點也可能損壞襯里。為避免對襯里造成機械損傷，在井場應(yīng)該對所有井下部件進行快速檢查。雙金屬復(fù)合管襯管采用薄壁耐蝕合金材料管材?？筛鶕?jù)腐蝕環(huán)境的不同，選用相應(yīng)的襯管(普通/特種不銹鋼管、鈦/鋁等)材料，保證良好的耐腐 蝕性能；基管采用碳鋼(無縫或焊接鋼)管或其他合金鋼管，保證優(yōu)異的機械力學(xué)性能。雙金屬復(fù)合管可以保證優(yōu)良的綜合性能，但價格昂貴。上述各種表面強化工藝在許多零部件加工過程中都有成功的應(yīng)用，但由于其固有的缺點，限制了其在細長管件內(nèi)壁表面強化方面的應(yīng)用。激光相變硬化技術(shù)，是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發(fā)生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。激光相變硬化后，馬氏體和亞結(jié)構(gòu)晶粒都被超細化，殘余奧氏體也被顯著強化。該方法主要用于強化零件的表面，在提高金屬材料表面性能的同時使零件心部仍保持較好的韌性，使零件具有耐磨性和耐蝕性好、沖擊韌性高、疲勞強度高的特點，且相變硬化層厚度厚，與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，工件變形小。針對上述各種細長管件內(nèi)壁表面強化工藝的不足，本發(fā)明在普通細長管件的基礎(chǔ)上，采用吸光涂料內(nèi)噴涂設(shè)備、激光導(dǎo)光系統(tǒng)及大功率激光器，對管件內(nèi)壁進行激光表面相變硬化處理，得到激光相變硬化層，大大改善了管件的耐磨耐蝕性能，延長了管件的使用壽命，拓寬器應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化新方法，以改善管件材料的顯微組織形態(tài)，提高管件內(nèi)壁的耐磨性和耐蝕性，延長管件的使用壽命，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)在細長管件的常規(guī)加工工序后，對管件內(nèi)壁進行除油、除銹處理，采用自行設(shè)計的內(nèi)壁噴涂設(shè)備噴涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光導(dǎo)光系統(tǒng)對管件內(nèi)壁進行激光表面相變硬化處理，得到耐磨耐蝕性能優(yōu)良的激光相變硬化層。清除管件內(nèi)壁污物的一種方法是將噴丸機的噴嘴對準(zhǔn)管口進行噴丸處理，管件內(nèi)壁上的油、銹會隨同噴丸一同從管件另一端噴出，達到清除油污的目的，同時使管件內(nèi)壁呈壓應(yīng)力狀態(tài)。另外，清除管件內(nèi)壁污物的方法也可以是噴砂、酸洗等。內(nèi)噴涂設(shè)備(見圖I)通過導(dǎo)桿端部的旋杯高速旋轉(zhuǎn)使吸光涂料霧化，在后部旋轉(zhuǎn)電機的拖動下向后運動，對管件內(nèi)壁進行噴涂。噴涂層必須均勻、致密、平整且厚度要合適，實物效果圖見圖2。自制的吸光涂料組成為Si02含量85%-100%，Y203含量0-7. 5 %，膨潤土含量0-7.5%，粘結(jié)劑使用蟲膠片飽和的酒精溶液，稀釋劑為稀料，使用前球磨1-3小時。內(nèi)噴涂設(shè)備工作參數(shù)是風(fēng)動機工作壓力O. 5-0. 9MPa，轉(zhuǎn)速10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,導(dǎo)桿移動速度 30_60m/min。細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化是通過管件的軸向旋轉(zhuǎn)及激光導(dǎo)光系統(tǒng)(見圖
3)的橫向進給來實現(xiàn)的。細長管件相變硬化后的實物圖見圖4。大功率激光器可采用圓形光斑或矩形光斑，功率為1000-2000W，掃描速度為1500-3500mm/min。激光導(dǎo)光系統(tǒng)的工作原理是通過一導(dǎo)光桿讓激光可以在細長管件內(nèi)部聚焦，從而實現(xiàn)對油管內(nèi)部的加工。管件內(nèi)壁的激光相變硬化強化帶可以是不同間距的螺旋、不同網(wǎng)格大小的螺旋網(wǎng)格或不同間距的直紋。不同間距的螺旋通過如下方式實現(xiàn)管件以一定的速度軸向旋轉(zhuǎn)，激光導(dǎo)光系統(tǒng)橫向進給，得到螺旋強化帶。改變管件旋轉(zhuǎn)速度和激光導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給速度，可得到不 同間距的螺旋強化帶。不同網(wǎng)格大小的螺旋網(wǎng)格是通過如下方式實現(xiàn)的完成單方向的螺旋強化帶加工后，管件以相同速度反向旋轉(zhuǎn)，激光導(dǎo)光系統(tǒng)橫向進給，得到螺旋網(wǎng)格強化帶。改變管件旋轉(zhuǎn)速度和激光導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給速度，可得到不同間距的螺旋網(wǎng)格強化帶。不同間距的直紋強化帶是通過如下方式實現(xiàn)的先保持管件固定，激光導(dǎo)光系統(tǒng)橫向進給完成一次激光掃描，管件旋轉(zhuǎn)一定角度后，再進行一次激光掃描，重復(fù)以上過程，直至完成整根管件的加工，得到直紋強化帶。改變管件每次旋轉(zhuǎn)的角度，可得到不同間距的螺旋強化帶。經(jīng)激光處理后，激光相變硬化層(見圖5和圖6)深度為O. 3-1. Omm,分三個區(qū)完全淬火區(qū)、過渡區(qū)和基體。完全淬火區(qū)組織為板條馬氏體和少量殘余奧氏體，同時由于加熱時間短冷卻速度快，組織晶粒細小，且晶粒內(nèi)部存在大量的纏結(jié)位錯；過渡區(qū)由于加熱時間短，溫度梯度小，珠光體和鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，冷卻形成馬氏體、鐵素體和屈氏體的混合組織；基體仍為原始珠光體和鐵素體組織。激光相變硬化后，管件內(nèi)壁表面硬度達到40-55HRC，管件內(nèi)壁表面光潔無裂紋，耐磨性和耐蝕性明顯提高。


圖I:內(nèi)壁噴涂系統(tǒng)示意2 :細長管件內(nèi)壁噴涂吸光涂料后實物3 :激光導(dǎo)光系統(tǒng)示意4 :細長管件內(nèi)壁激光相變硬化處理實物5 :激光相變硬化層示意6 :細長管件激光相變硬化后顯微組織
具體實施例方式本發(fā)明的實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的應(yīng)用進一步限定。實施例I :油管內(nèi)壁激光相變硬化,材質(zhì)N80，內(nèi)徑d = 70mm，長度I = 8m(I)油管內(nèi)壁噴丸
將管道內(nèi)壁噴丸機的噴嘴對準(zhǔn)油管管口進行噴丸處理，油管中的油、銹會隨同噴丸一同從油管另一端噴出。(2)吸光涂料的配置主要原料是Si02、膨潤土、Y203、稀料、蟲膠片和酒精溶液。配制過程Si02含量為90 %，膨潤土含量為5 %，Y203含量為5 %。將Si02、膨潤土和Y203按上述比例混合，使用QM-3SP2行星式球磨機將其球磨混勻，球磨的參數(shù)為球料比15 1，選定轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間2. 5h。配制蟲膠片飽和的酒精溶液(粘結(jié)劑)，將配制好的涂料與一定比例的稀料(稀釋齊IJ)及蟲膠片飽和的酒精溶液(粘結(jié)劑)混合均勻，得到性能優(yōu)良的吸光涂料。 (3)油管內(nèi)壁噴涂吸光涂料內(nèi)噴涂設(shè)備通過導(dǎo)桿端部的旋杯高速旋轉(zhuǎn)使涂料霧化，在后部旋轉(zhuǎn)電機的拖動下向后運動，對內(nèi)壁進行噴涂。吸光涂料層均勻、致密、平整，厚度為O. 2-0. 5mm。(4)導(dǎo)光系統(tǒng)的調(diào)試導(dǎo)光系統(tǒng)的調(diào)試主要有兩個方面導(dǎo)光桿與機床底座的平行，導(dǎo)光桿與其內(nèi)部光路的同心。(5)油管內(nèi)壁激光相變硬化C02激光器采用圓形光斑，光斑尺寸為Φ 3mm，離焦量為120mm，功率為1200W。油管內(nèi)壁激光表面相變硬化是通過油管的旋轉(zhuǎn)及激光導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給來實現(xiàn)的，導(dǎo)光系統(tǒng)在軸方向的橫向移動速度為80-120mm/min，油管繞軸心的轉(zhuǎn)動速度是
4-6r/s，所得螺旋強化帶的螺距為5-8mm ；經(jīng)激光處理后，油管內(nèi)壁表面硬度達到45-53HRC，處理層深度為O. 4-0. 7mm。油管內(nèi)壁表面光潔無裂紋，且組織細化，耐磨性和耐蝕性明顯提高。實施例2:抽油泵泵筒內(nèi)壁激光相變硬化，材質(zhì)35CrMoA,內(nèi)徑d = 60mm,長度I = 3m。(I)泵筒內(nèi)壁噴砂對泵筒內(nèi)壁進行噴砂處理，達到除油、除銹的目的。(2)吸光涂料的配置主要原料是Si02、膨潤土、Y203、稀料、蟲膠片和酒精溶液。配制過程Si02含量為85 %，膨潤土含量為7.5%，Y203含量為7.5%。將Si02、膨潤土和Y203按上述比例混合，使用QM-3SP2行星式球磨機將其球磨混勻，球磨的參數(shù)為球料比20 1，選定轉(zhuǎn)速250r/min，球磨時間2h。配制蟲膠片飽和的酒精溶液(粘結(jié)劑)，將配制好的涂料與一定比例的稀料(稀釋齊U)及蟲膠片飽和的酒精溶液(粘結(jié)劑)混合均勻，得到性能優(yōu)良的吸光涂料。(3)油管內(nèi)壁噴涂吸光涂料內(nèi)噴涂設(shè)備通過導(dǎo)桿端部的旋杯高速旋轉(zhuǎn)使涂料霧化，在后部旋轉(zhuǎn)電機的拖動下向后運動，對內(nèi)壁進行噴涂。吸光涂料層均勻、致密、平整，厚度為O. 3-0. 8mm。(4)導(dǎo)光系統(tǒng)調(diào)試
同實施例I步驟(4)。(5)泵筒內(nèi)壁激光相變硬化C02激光器采用圓形光斑，光斑尺寸為Φ 5mm，離焦量為145mm，功率為1800W。導(dǎo)光系統(tǒng)在軸方向的橫向移動速度為100-140mm/min，泵筒繞軸心的轉(zhuǎn)動速度是
5-8r/s，所得螺旋強化帶的螺距為6-9mm ；
經(jīng)激光處理后，泵筒內(nèi)壁表面硬度達到45-55HRC，處理層深度為O. 6-1. 0mm，泵筒綜合性能優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于對細長管件內(nèi)壁進行除油、除銹處理后，采用自行設(shè)計的內(nèi)壁噴涂設(shè)備噴涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光導(dǎo)光系統(tǒng)對管件內(nèi)壁進行激光表面相變硬化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于吸光涂料內(nèi)噴涂設(shè)備通過導(dǎo)桿端部的旋杯高速旋轉(zhuǎn)使吸光涂料霧化，在后部旋轉(zhuǎn)電機的拖動下向后運動，對內(nèi)壁進行噴涂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于內(nèi)噴涂設(shè)備工作參數(shù)是風(fēng)動機工作壓力O. 4-0. 9MPa，轉(zhuǎn)速為10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,導(dǎo)桿移動速度 30_60m/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于自制的吸光涂料組成為SiO2含量85% -100%，L2O3含量0-7. 5%，膨潤土含量0-7. 5%，粘結(jié)劑使用蟲膠片飽和的酒精溶液，稀釋劑為稀料，使用前球磨1-3小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于噴涂于管件內(nèi)壁的吸光涂料應(yīng)保證均勻、致密、平整，厚度為O. 03-0. 12mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于所用激光器可采用圓形光斑，功率為1000-2000W，線掃描速度為1000-3500mm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化是通過細長管件的旋轉(zhuǎn)及導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給來實現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于通過調(diào)整管件的旋轉(zhuǎn)和激光導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給速度，可得到不同間距的螺旋強化帶或不同網(wǎng)格大小的螺旋網(wǎng)格強化帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，其特征在于先保持管件固定，激光導(dǎo)光系統(tǒng)橫向進給完成一次激光掃描，管件旋轉(zhuǎn)一定角度后，再進行一次激光掃描，重復(fù)以上過程，直至完成整根管件的加工，得到直紋強化帶。改變管件每次旋轉(zhuǎn)的角度，可得到不同間距的螺旋強化帶。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種細長管件內(nèi)壁激光表面相變硬化方法，屬于金屬桿管的加工領(lǐng)域。對細長管件內(nèi)壁進行除油、除銹等常規(guī)處理后，采用自行設(shè)計的內(nèi)壁噴涂設(shè)備(圖1)噴涂自制吸光涂料，然后利用大功率激光器和激光導(dǎo)光系統(tǒng)(圖3)對管件內(nèi)壁進行激光表面相變硬化處理。自制的吸光涂料組成為SiO2含量85％-100％，Y2O3含量0-7.5％，膨潤土含量0-7.5％，使用前球磨1-3小時。激光相變硬化所用激光器功率為1000-3000W，線掃描速度為1000-3500mm/min，調(diào)整管件的旋轉(zhuǎn)和激光導(dǎo)光系統(tǒng)的橫向進給，可得到不同形狀的激光相變硬化強化帶。激光相變硬化層深度為0.3-1.0mm，管件內(nèi)壁表面硬度達到40-55HRC，表面光潔無裂紋，顯微組織超細化，耐磨性和耐蝕性明顯提高，大大延長了管件的使用壽命，拓寬了管件的應(yīng)用范圍。
文檔編號C21D9/08GK102839260SQ20111017094
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者王勇, 韓彬, 趙衛(wèi)民, 韓濤, 孫建波, 董立先, 薛敏鵬 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油大學(xué)(華東)