專利名稱：自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法。
背景技術(shù)：
抽油機(jī)井一直以來都是國內(nèi)外油田的主要采油方式，而抽油桿接箍則是抽油機(jī)井中一個(gè)關(guān)鍵的部件，它起著連接抽油桿向抽油泵傳遞動(dòng)力的作用，特別是隨著當(dāng)前深油井的不斷增多，抽油桿接箍的作用和性能就日漸重要。然而，接箍的實(shí)際工作環(huán)境卻十分惡劣，接箍自身的偏磨腐蝕經(jīng)常導(dǎo)致抽油桿的斷脫；而接箍對(duì)抽油管的磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致油管穿孔，兩者都會(huì)造成油井的停產(chǎn)。
油田目前采用在接箍附近連接扶正器和在接箍表面噴焊鎳基合金的方式來解決以上問題。扶正器的使用的初期能起到預(yù)防的作用，但在使用后期問題較多，如自身磨損后接箍和油管仍然要磨損、磨損形成的磨屑還可能造成泵漏失、過多的扶正器還能增大抽油機(jī)的載荷和活塞效應(yīng)反而會(huì)加重抽油桿的磨損等。接箍表面噴焊鎳基合金(多數(shù)為Ni60合金粉末)后的接箍很好的解決了接箍自身的磨損和腐蝕問題，使得抽油桿連接處的斷脫問題得到有效解決。同時(shí)在鎳基合金中復(fù)合有減摩元素的涂層也能在一定程度上減少對(duì)油管內(nèi)壁的磨損，但從使用效果看，發(fā)現(xiàn)此類合金涂層接箍依然存在磨穿油管的問題，特別是井筒中的造斜段這種情況出現(xiàn)較多，說明這種涂層減少油管內(nèi)壁磨損的性能依然有待提高。
而通過引入新型固體潤滑劑FeS與鎳基合金粉末混合形成的自潤滑鎳基合金粉末，不僅可以使原來的鎳基合金噴焊接箍的自潤滑性能得到顯著改善，而且不會(huì)增加鎳基合金噴焊接箍的成本。然而，F(xiàn)eS作為固體潤滑劑在噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用還沒有看到，在其粉末制備和與自熔合金噴涂粉末的混合等方面都沒有開展相應(yīng)的工作。因此，通過對(duì)FeS固體潤滑劑的制備方法以及FeS固體潤滑劑與鎳基合金粉末的混合方法等方面進(jìn)行優(yōu)化選擇，開發(fā)出一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，將有效地解決油田現(xiàn)場(chǎng)接箍/油管的磨損和腐蝕問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，通過這種方法制作的抽油桿接箍具有更強(qiáng)的耐腐蝕性和耐磨性，同時(shí)在使用過程中可較徹底和有效地降低對(duì)油管內(nèi)壁的磨損，解決油田普遍存在的接箍/油管的磨損和腐蝕問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，其特征是，它包括下列步驟步驟一、固體潤滑劑FeS粉末的制備1、首先選取市售分析純級(jí)別的塊狀FeS粉末試劑；2、接著采用濕法研磨法制備FeS粉末，以確保研磨過程中FeS粉末不會(huì)被氧化，即按照1∶1～1∶5的體積比例將FeS粉末和無水乙醇試劑裝入球磨機(jī)中，選定1000～2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，每隔半小時(shí)停止一次球磨，每次停止后將帶有小顆粒FeS的溶液倒出，并采用濾紙進(jìn)行過濾、風(fēng)干，而將相應(yīng)體積的無水乙醇補(bǔ)充到球磨機(jī)中與剩余的大顆粒FeS形成同樣體積的新的混合液后繼續(xù)研磨，如此反復(fù)數(shù)次，直到研磨機(jī)中剩余的大顆粒FeS很少后即可停止；3、然后將濾紙上風(fēng)干的FeS粉末收集起來，在坩堝中略加研磨后，用標(biāo)準(zhǔn)粒度篩篩分粉末，即可得到20μm～102μm粒度的FeS粉末；4、再采用水熱氫還原法對(duì)步驟3中球磨篩分得到的FeS粉末進(jìn)行鎳包覆處理，即選取50％質(zhì)量百分含量的鎳進(jìn)行包覆處理，使FeS表面的包覆率達(dá)到85％～90％；5、最后將得到的鎳包FeS粉末用標(biāo)準(zhǔn)粒度篩篩分粉末，以得到制作自潤滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的鎳包FeS粉末；步驟二、噴焊用合金粉末的混合1、選取市售的Ni60自熔合金粉末，其粒度范圍20μm～102μm；2、將步驟一中制得的鎳包FeS粉末按照5％～30％質(zhì)量百分含量與70％～95％質(zhì)量百分含量的Ni60自熔合金粉末粉末進(jìn)行混合，為了得到均勻的混合效果，通過“機(jī)械攪拌搖勻+篩分”方式進(jìn)行混合，即首先將混在一起后的粉末用玻璃棒進(jìn)行攪拌，然后將其放入密閉容器中反復(fù)搖晃，最后再將其倒入150目和250目兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分混合以得到混合均勻的噴焊用自潤滑鎳基合金粉末；步驟三、噴焊處理1、在100℃-120℃的烘干箱中對(duì)步驟二中制得的混合均勻的自潤滑鎳基合金粉末進(jìn)行干燥處理；2、抽油桿接箍表面預(yù)處理，對(duì)抽油桿接箍表面進(jìn)行噴砂粗化處理，并使表面活化，保證表面清潔、無油污，將數(shù)個(gè)接箍串在同一根金屬桿上并將兩端固定；3、對(duì)接箍表面預(yù)熱、噴涂首先，將接箍轉(zhuǎn)動(dòng)著在中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈內(nèi)沿軸向移動(dòng)預(yù)熱至微微發(fā)藍(lán)，以提高接箍表面的溫度，增加粉末的沉積率和結(jié)合強(qiáng)度；被加熱后從加熱線圈端部伸出來的接箍立刻將自潤滑鎳基合金粉末用金屬粉末噴槍進(jìn)行噴涂，直至噴涂至接箍的末端，噴涂后得到的涂層厚度在0.50mm～0.70mm范圍；4、重熔冷卻，采用中頻感應(yīng)加熱裝置對(duì)接箍進(jìn)行表面感應(yīng)加熱，使其表面的合金涂層重熔，重熔溫度控制在950℃-1050℃，即涂層出現(xiàn)鏡面現(xiàn)象，并使接箍在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下冷卻下來；步驟四、拋光后處理最后對(duì)接箍表面進(jìn)行拋光處理，使其表面涂層厚度在0.25mm～0.60mm范圍，粗糙度不超過Ra0.8μm，即得到自潤滑鎳基合金噴焊接箍。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明中抽油桿接箍的制備方法，操作簡便，容易控制；可以保證FeS粉末不被氧化，而且能夠?qū)崿F(xiàn)噴焊粉末不同組分之間的均勻混合；表面感應(yīng)加熱處理不僅不影響接箍基體性能，而且使涂層與接箍之間形成冶金結(jié)合，具有很高的結(jié)合強(qiáng)度。通過這種方法制備的抽油桿接箍具有更強(qiáng)的耐腐蝕性和耐磨性，同時(shí)FeS固體潤滑劑的存在使得此類接箍在使用時(shí)在接箍/油管的摩擦表面之間形成有效潤滑層，在保護(hù)接箍自身的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)油管的保護(hù)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，其特征是，它包括下列步驟步驟一、固體潤滑劑FeS粉末的制備1、首先選取北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的分析純級(jí)別的塊狀FeS粉末試劑；2、接著采用濕法研磨法制備FeS粉末，以確保研磨過程中FeS粉末不會(huì)被氧化。將500gFeS粉末裝入上海索維機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SMA-0.75型實(shí)驗(yàn)室籃式球磨機(jī)中，再將1400ml無水乙醇試劑倒入球磨機(jī)中，以球磨機(jī)中的磨粒球能夠?qū)Υ蟛糠址勰┏浞盅心橐耍x定轉(zhuǎn)速1440轉(zhuǎn)/分后開始研磨，每隔30分鐘停止球磨，將帶有小顆粒FeS的溶液倒出，并采用濾紙進(jìn)行過濾、風(fēng)干，而將1400ml無水乙醇補(bǔ)充到球磨機(jī)中與剩余的大顆粒FeS形成新的混合液后繼續(xù)研磨，如此反復(fù)數(shù)次，直到研磨機(jī)中剩余的大顆粒FeS很少后停止；3、然后將濾紙上風(fēng)干的FeS粉末收集起來，在坩堝中略加研磨后，用浙江上虞華豐五金儀器廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)粒度篩篩分粉末，即可得到粒度范圍20μm～102μm的FeS粉末。4、為保證噴涂過程中FeS粉末不被燒損，采用水熱氫還原法對(duì)上一步驟中球磨篩分得到的FeS粉末進(jìn)行鎳包覆處理，將1.5kgFeS粉末在中科院過程工程研究所自行研制的25L/6MPa高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行鎳包覆試驗(yàn)，包覆過程中高壓反應(yīng)釜內(nèi)的環(huán)境為170℃、4MPa和1100轉(zhuǎn)/分，最后得到含鎳50％質(zhì)量百分含量的FeS粉末，使其表面的包覆率達(dá)到85％～90％，將得到的鎳包FeS粉末采用浙江上虞華豐五金儀器廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，即可得到制作自潤滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的鎳包FeS粉末；通過包覆處理可以提高FeS粉末的流動(dòng)性，有助于其與Ni60粉末的均勻混合，同時(shí)避免噴涂過程中出現(xiàn)FeS粉末堵塞槍嘴的現(xiàn)象；另一方面，鎳包覆后也可使得FeS粉末在噴涂過程中不被燒損。
步驟二、噴焊用合金粉末的混合1、選取成都大光熱噴涂材料有限公司生產(chǎn)的DG.Ni60A自熔合金粉末，其粒度范圍20μm～102μm；2、將步驟一中制得的鎳包FeS粉末按照5％～30％質(zhì)量百分含量與70％～95％質(zhì)量百分含量的DG.Ni60A自熔合金粉末粉末進(jìn)行混合，為了得到均勻的混合效果，采用以下兩個(gè)途徑一是保證制得的FeS粉末粒度與Ni60自熔合金粉末的粒度一致，均為20μm～102μm；二是通過“機(jī)械攪拌搖勻+篩分”方式進(jìn)行混合，即首先將混在一起后的粉末首先用玻璃棒進(jìn)行多次攪拌，然后將其放入密閉容器中反復(fù)搖晃多次，最后再將其倒入浙江上虞華豐五金儀器廠生產(chǎn)的150目和250目兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)篩多次篩分混合，即完成整個(gè)粉末的混合過程，即可得到混合均勻的噴焊用自潤滑鎳基合金粉末。
步驟三、噴焊處理1、在100℃-120℃的烘干箱中對(duì)步驟二中制得的混合均勻的自潤滑鎳基合金粉末進(jìn)行干燥處理；2、抽油桿接箍表面預(yù)處理，對(duì)抽油桿接箍表面進(jìn)行噴砂粗化處理，并使表面活化，保證表面清潔、無油污，將數(shù)個(gè)接箍串在同一根金屬桿上并將兩端固定；3、對(duì)接箍表面預(yù)熱、噴涂首先，將接箍串桿穿過上海華儀感應(yīng)加熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)中KGPS-160KW/8KHZ型中頻感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈，通過兩端帶有內(nèi)螺紋的連接桿、卡盤加以固定，然后以145轉(zhuǎn)/分鐘～155轉(zhuǎn)/分鐘的速度讓接箍串桿轉(zhuǎn)動(dòng)著在中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈內(nèi)沿軸向以19mm/s～21mm/s的速度移動(dòng)，使接箍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19KW～21KW，以除去柱塞表面的水分和提高接箍表面的溫度，增加粉末粘接結(jié)合率，避免過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；而被加熱后從加熱線圈端部伸出來的接箍立刻用上海瑞發(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述步驟中得到的自潤滑鎳基合金粉末，直至噴涂完接箍的末端，噴涂后得到的涂層厚度在0.50mm～0.70mm范圍，既保證最后打磨處理后接箍表面得到足夠厚的涂層來保證其耐磨耐蝕和自潤滑性能，同時(shí)也避免太厚的涂層造成太高的成本；噴涂時(shí)噴涂用合金粉末是通過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0.39m3/h～0.41m3/h，乙炔流量為0.79m3/h～0.81m3/h，氣泵的氣體壓力為0.023MPa～0.025Mpa；4、重熔冷卻，繼續(xù)采用上海華儀感應(yīng)加熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)中KGPS-160KW/8KHZ型中頻感應(yīng)加熱器對(duì)接箍進(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103KW～107KW，接箍的轉(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/s～15mm/s，使其表面的合金涂層充分重熔，重熔溫度控制在950℃-1050℃，即涂層出現(xiàn)鏡面現(xiàn)象，并使接箍在空氣中轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下冷卻下來；步驟四、拋光后處理最后對(duì)接箍表面進(jìn)行拋光處理，依次采用100#砂帶和200#砂帶打磨拋光，使其表面涂層厚度在0.25mm～0.60mm范圍，保證柱塞在正常使用時(shí)期內(nèi)的正常磨損消耗，同時(shí)避免涂層太厚引起成本過高。粗糙度不超過Ra0.8μm，即可得到自潤滑鎳基合金噴焊接箍。
實(shí)施例二一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，其制備過程包括FeS粉末制備、FeS粉末與Ni60目熔合金粉末的混合、噴焊處理以及拋光后處理四大步驟，其與實(shí)施例一的不同處在于，噴焊用自潤滑鎳基合金粉末由10％質(zhì)量百分含量的鎳包FeS粉末與90％質(zhì)量百分含量的Ni60自熔合金粉末均勻混合而成，其它步驟均同實(shí)施例一。
實(shí)施例三一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，其制備過程包括FeS粉末制備、FeS粉末與Ni60自熔合金粉末的混合、噴焊處理以及拋光后處理四大步驟，其與實(shí)施例一的不同處在于，噴焊用自潤滑鎳基合金粉末由30％質(zhì)量百分含量的鎳包FeS粉末與70％質(zhì)量百分含量的Ni60自熔合金粉末均勻混合而成，其它步驟均同實(shí)施例一。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)以上三個(gè)實(shí)施事例中的噴焊層進(jìn)行磨損和腐蝕性能評(píng)價(jià)。磨損試驗(yàn)在MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，塊試樣采用油田用N80油管，環(huán)試樣為45鋼基材表面噴焊0.25～0.60mm厚的涂層，涂層成分分別為通用Ni60粉末和本發(fā)明中的含F(xiàn)eS的Ni60噴焊粉末。實(shí)驗(yàn)表明，在400N的載荷，400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，以及20分鐘時(shí)間和水潤滑條件下，與N80塊/通用Ni60涂層環(huán)摩擦副相比，實(shí)施例一、二、三中含F(xiàn)eS的Ni60涂層環(huán)試樣的磨損量變化均很小，但對(duì)應(yīng)的塊試樣的磨損量則降低了近40倍，尤以實(shí)施例二效果最好。FeS的添加使得塊試樣與環(huán)試樣的磨損量處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在塊試樣的磨損表面發(fā)現(xiàn)了FeS層的涂抹現(xiàn)象，表明FeS粉末的添加有效地改善了鎳基噴焊層的自潤滑性能，可以減少油管的磨損，對(duì)油管形成有效保護(hù)。腐蝕試驗(yàn)分別在濃度30％的HCl溶液和濃度50％的NaOH溶液中進(jìn)行，對(duì)Ni60噴焊涂層和三個(gè)實(shí)施事例中含F(xiàn)eS的涂層試樣在常溫和100℃溫度條件下進(jìn)行24小時(shí)浸泡試驗(yàn)，結(jié)果表明，Ni60涂層和三個(gè)實(shí)施事例中含F(xiàn)eS的涂層的各個(gè)試樣均沒有發(fā)生明顯腐蝕失重，充分表明了本發(fā)明中的接箍用噴焊粉末具有與Ni60噴焊粉末同樣優(yōu)異的耐腐蝕性能。
權(quán)利要求
1.一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，其特征是，它包括下列步驟步驟一、固體潤滑劑FeS粉末的制備1、首先選取市售分析純級(jí)別的塊狀FeS粉末試劑；2、接著采用濕法研磨法制備FeS粉末，以確保研磨過程中FeS粉末不會(huì)被氧化，即按照1∶1～1∶5的體積比例將FeS粉末和無水乙醇試劑裝入球磨機(jī)中，選定1000～2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，每隔半小時(shí)停止一次球磨，每次停止后將帶有小顆粒FeS的溶液倒出，并采用濾紙進(jìn)行過濾、風(fēng)干，而將相應(yīng)體積的無水乙醇補(bǔ)充到球磨機(jī)中與剩余的大顆粒FeS形成同樣體積的新的混合液后繼續(xù)研磨，如此反復(fù)數(shù)次，直到研磨機(jī)中剩余的大顆粒FeS很少后即可停止；3、然后將濾紙上風(fēng)干的FeS粉末收集起來，在坩堝中略加研磨后，用標(biāo)準(zhǔn)粒度篩篩分粉末，即可得到20μm～102μm粒度的FeS粉末；4、再采用水熱氫還原法對(duì)步驟3中球磨篩分得到的FeS粉末進(jìn)行鎳包覆處理，即選取50％質(zhì)量百分含量的鎳進(jìn)行包覆處理，使FeS表面的包覆率達(dá)到85％～90％；5、最后將得到的鎳包FeS粉末用標(biāo)準(zhǔn)粒度篩篩分粉末，以得到制作自潤滑合金粉末所需的20μm～102μm粒度的鎳包FeS粉末；步驟二、噴焊用合金粉末的混合1、選取市售的Ni60自熔合金粉末，其粒度范圍20μm～102μm；2、將步驟一中制得的鎳包FeS粉末按照5％～30％質(zhì)量百分含量與70％～95％質(zhì)量百分含量的Ni60自熔合金粉末粉末進(jìn)行混合，為了得到均勻的混合效果，通過“機(jī)械攪拌搖勻+篩分”方式進(jìn)行混合，即首先將混在一起后的粉末用玻璃棒進(jìn)行攪拌，然后將其放入密閉容器中反復(fù)搖晃，最后再將其倒入150目和250目兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分混合以得到混合均勻的噴焊用自潤滑鎳基合金粉末；步驟三、噴焊處理1、在100℃-120℃的烘干箱中對(duì)步驟二中制得的混合均勻的自潤滑鎳基合金粉末進(jìn)行干燥處理；2、抽油桿接箍表面預(yù)處理，對(duì)抽油桿接箍表面進(jìn)行噴砂粗化處理，并使表面活化，保證表面清潔、無油污，將數(shù)個(gè)接箍串在同一根金屬桿上并將兩端固定；3、對(duì)接箍表面預(yù)熱、噴涂首先，將接箍轉(zhuǎn)動(dòng)著在中頻感應(yīng)加熱器的加熱線圈內(nèi)沿軸向移動(dòng)預(yù)熱至微微發(fā)藍(lán)，以提高接箍表面的溫度，增加粉末的沉積率和結(jié)合強(qiáng)度；被加熱后從加熱線圈端部伸出來的接箍立刻將自潤滑鎳基合金粉末用金屬粉末噴槍進(jìn)行噴涂，直至噴涂至接箍的末端，噴涂后得到的涂層厚度在0.50mm～0.70mm范圍；4、重熔冷卻，采用中頻感應(yīng)加熱裝置對(duì)接箍進(jìn)行表面感應(yīng)加熱，使其表面的合金涂層重熔，重熔溫度控制在950℃-1050℃，即涂層出現(xiàn)鏡面現(xiàn)象，并使接箍在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下冷卻下來；步驟四、拋光后處理最后對(duì)接箍表面進(jìn)行拋光處理，使其表面涂層厚度在0.25mm～0.60mm范圍，粗糙度不超過Ra0.8μm，即得到自潤滑鎳基合金噴焊接箍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍的制備方法，它包括下列步驟步驟一、固體潤滑劑FeS粉末的制備，通過濕法球磨和鎳包覆制得20μm～102μm粒度的鎳包FeS粉末；二、噴焊用合金粉末的混合，以“機(jī)械攪拌搖勻+篩分”方式將5％～30％質(zhì)量百分含量的鎳包FeS粉末與70％～95％質(zhì)量百分含量的Ni60自熔合金粉末均勻混合；三、對(duì)接箍表面噴焊處理，制得自潤滑鎳基合金涂層；四、對(duì)接箍表面進(jìn)行拋光，使其表面涂層厚度在0.25mm～0.60mm范圍，粗糙度不超過Ra0.8μm。本發(fā)明制作的自潤滑鎳基合金噴焊抽油桿接箍，具有更強(qiáng)的耐腐蝕性和耐磨性，解決了原來鎳基噴焊合金接箍磨損油管內(nèi)壁的問題。
文檔編號(hào)C23C24/00GK101050692SQ20071009951
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者田斌, 黃錦濱, 軒翠霞, 于海 申請(qǐng)人:安東石油技術(shù)(集團(tuán))有限公司