专利名称：：超高强度防腐抽油光杆的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种超高强度防腐抽油光杆的制作方法。
背景技术：
：在石油行业中，抽油机有杆泵采油是一种人工举升采油方式，以其设备简单，投资少，管理方便，适应性强等优点被国内外各油田广泛采用。抽油机、抽油杆和抽油泵是有杆泵采油设备的三个主要组成部分，其中抽油杆是将抽油机的运动和动力传递给井下抽油泵进行抽汲的部件。抽油光杆是抽油杆柱上部一根特殊的抽油杆，用来和井口密封盒配合密封抽油井口，因此工作条件比抽油杆更恶劣，除抽油光杆的工作条件外，上冲程时裸露在野外大气中，下冲程时浸在井液中，因此光杆既受大气腐蚀，又受井液腐蚀，不出油时还要承受高温，在悬挂抽油杆柱时还要承受方卡子的预应力，承受下面所有抽油杆柱产生的最大的载荷拉应力，是工作条件最为苛刻的一根特殊的抽油杆。目前国内的抽油光杆与抽油杆一样，按照不同的强度等级由低到高分为C、K、D和H级。随着油田开发进入中后期，井深逐渐增大、载荷逐渐增加、对抽油光杆的力学性能要求越来越高。目前的抽油杆生产多用20CrMo钢，这种抽油杆在生产过程中需要进行淬火和高温回火热处理，生产环节多，生产成本高；同时这种钢主要用于制造D级、K级等低强度级别的抽油杆，通过热处理工艺提高强度来制造H级抽油杆，其产品的可靠性不高。另外，原油开采方式也从最初的自喷、水驱逐渐改为聚合物驱、三元复合驱，此外再加上稠油高温采油，都加剧了对抽油光杆的腐蚀破坏作用。抽油光杆由于腐蚀而造成表面出现坑蚀，导致与盘根密封不紧密，造成漏油，污染环境。同时腐蚀破坏作用又加剧了抽油光杆的疲劳，降低光杆使用寿命，导致光杆失效而停井作业、损失产量。
发明内容本发明的目的是提供一种力学性能达到目前行业现有标准最高强度级别即H级，同时疲劳强度大大超过目前石油行业标准的超高强度防腐抽油光杆的制作方法，并且抽油光杆表面具有耐腐蚀耐磨损涂层，以延长抽油光杆在腐蚀环境下的使用寿命，通过使用这种高强度、高耐腐蚀的抽油光杆将有效减缓其腐蚀破坏作用，降低事故率，延长使用时间，提高产量。为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种超高强度防腐抽油光杆的制作方法，其特征是，它包括下列步骤一、低合金结构钢棒材的制备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%，锰1.60%2.2%，铬0.90%2.70%,钼0.20%0.40%，镍《0.9%，铜《0.20%,磷《0.025%，硫《0.25%，余量为铁；将上述合金粉末混合按照杆体基体低合金结构钢的配方在电炉中冶炼，将钢液浇注成钢锭；将上述钢锭用轧机轧制成的方胚，再用连轧机采用控轧控冷工艺加热温度109(TC，终轧温度90(TC，冷却速度3。C/s将钢坯轧制成圆钢，剪成定尺低合金结构钢棒材，空冷到室温即可；二、抽油光杆毛坯的制备将获得的低合金结构钢棒材用冷拔机冷拔到抽油光杆标准长度，再利用抽油杆校直机进行校直，将杆体一端利用液压双缸镦粗机进行端部镦粗，然后使用车床对光杆两端进行螺纹加工形成抽油光杆毛坯；三、抽油光杆毛坯的表面喷涂用喷涂用合金粉末喷涂到抽油光杆毛坯上形成合金涂层，喷涂用合金粉末的重量百分比是铬7%10%，铁《4%，硅2.0%3.5%，硼1.5%2.5%，碳《0.4%，镍79.6%85.1%;四、将具有上述合金涂层的抽油光杆毛坯进行重熔冷却利用中频感应加热器对第四得到的光杆杆体进行表面感应加热，使合金涂层中的金属粉末充分熔化流动，在重熔的同时，启动冷却水水泵，利用冷却水圈将从中频感应加热器伸出来的重熔后的光杆杆体迅速降温；五、抽油光杆的回火热处理当光杆完成重熔和冷却后，利用中频感应加热器对杆体进行一次中温回火热处理；六、抽油光杆抛光处理利用砂带对抽油光杆表面打磨抛光，使光杆表面合金涂层厚度为0.lram0.2mm范围，即得到超高强度防腐抽油光杆。杆体所用钢中各个组分含量的确定如下碳本发明中的超高强度抽油杆用钢金相组织主要是贝氏体、铁素体和少量残余奥氏体，组织中无碳化物相存在，以避免碳化物对贝氏体钢力学性能的恶性作用，从而改善贝氏体钢的力学性能，因此碳的含量不宜过高，本发明中碳含量控制在0.06%0.11%的范围内。钼钼元素因为能够有效推迟高温转变而对贝氏体转变几乎没有影响，因此钼是贝氏体非调质钢常用的合金元素。但是钼的价格昂贵，从经济上考虑，在设计时尽量降低钼的含量，本发明中钼含量控制在0.20%0.40%范围内。锰锰元素主要通过固溶强化作用、增加贝氏体、铁素体基体的固溶碳量来提高强度。此外，锰和钼类似，能够有效推迟高温转变。而锰又是相当便宜的合金元素，因此在钢中加入了高锰以降低钼的用量。本发明中锰含量控制在1.60%2.2%范围内。硅硅元素可以强烈阻碍碳化物的形成，使钢在贝氏体相变过程中不析出(或者极少析出)碳化物。此外，硅也是提高屈服强度的主要元素。但是过量的硅降低塑性。本发明中硅的含量控制在0.60%1.50%范围内。镍少量的镍元素和锰结合起来即会使钢易产生贝氏体组织。镍的价格非常高，从经济角度考虑，尽量少用镍元素。本发明中，镍含量《0.9%铬铬元素可以提高钢的淬透性，而且可以使钢在冷却过程中的珠光体转变区和贝氏体转变区分离，有利于形成贝氏体。本发明中铬的含量控制在0.90%2.70%的范围内。本发明的优点是1、本发明的超高强度防腐抽油光杆，其杆体采用低合金结构钢，通过热处理工艺和表面热喷涂工艺和回火热处理使杆体抗拉强度达到H级，同时疲劳强度也大大到石油行业标准。高强度加上超长的抗疲劳性能，可以有效延长抽油光杆的使用寿命，减少油井作业次数，提高油井产量。2、本发明的超高强度防腐抽油光杆杆体表面喷涂有一层耐腐蚀耐磨损合金涂层。在抽油光杆工作过程中，该涂层将带有腐蚀介质的原油和大气与光杆基体隔绝开来，使得杆基体不易受到腐蚀破坏，从而有效延长了光杆的使用寿命。图1为本发明结构示意图具体实施例方式实施例一，本发明超高强度防腐抽油光杆的制作方法，它包括下列步骤一、低合金结构钢棒材的制备按照下列重量百分比配制合金粉末混合物碳0.06%，硅0.60%，锰1.60%，铬0.90%，钼0.20%，镍0.9%，铜0.20%，磷0,025%，硫0.25%，余量为铁；将上述低合金结构钢的配方在电炉中冶炼，将钢液浇注成560kg的钢锭。经过O650Xl和O650X3轧机轧制成65mmX65mm2的方胚后，再由O400X1和①250X5连轧机采用控轧控冷工艺加热温度109(TC，终轧温度900。C，冷却速度3'C/s将钢坯轧制成030圆钢，剪成9米定尺的棒材，空冷到室温即可；二、抽油光杆毛坯的制备将获得的低合金结构钢棒材用冷拔机冷拔到抽油光杆标准长度9.14m，再利用葫芦岛市渤海石油机械厂的GJ-A型抽油杆校直机进行校直；将杆体一端利用葫芦岛市辽西石油机具厂的YSG-200液压双缸镦粗机进行端部镦粗，然后使用C616车床对光杆两端进行螺纹加工形成抽油光杆毛坯。三、抽油光杆的表面喷涂首先，将光杆毛坯穿过上海华仪感应加热设备有限公司生产的KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器的感应线圈，柱塞的两端通过带有内螺纹的连接杆、卡盘固定在柱塞固定车床上，柱塞固定车床具有可带动光杆的转动装置和移动装置；然后让柱塞以190转/分钟210转/分钟的速度转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向以19隱/s21mm/s的速度移动，在第一次移动过程中，关闭中频感应设备不对杆体进行加热，使用砂带打磨机用80弁砂带压在轴向运动着的光杆表面对光杆杆体从头到尾打磨一遍，一方面减小杆体直径尺寸约0.10.2mra预留出耐腐蚀耐磨损合金涂层的厚度，另一方面粗化杆体表面以提高热喷涂粉末的附着力。完成打磨粗化后，打开中频感应加热器，让光杆反向移动，使表面自始端至终端依次被中频感应加热器的加热线圈预热一遍，预热时，中频感应加热器的输出功率保持在19KW21KW，以除去柱塞表面的水分和提高柱塞表面的温度，增加粉末粘接结合率，避免过多粉末撞击在冷工件上所造成的反弹损耗，预热一遍后即将中频感应加热器电源关闭；同时被加热后从加热线圈端部伸出来的光杆杆体立刻用上海瑞发喷涂机械有限公司生产的型号为QT-E20000-7/h的金属粉末喷枪喷涂上耐腐蚀合金粉末，耐腐蚀合金粉末包括下列重量比的组份铬7%，铁1%，硅2.0%，硼1.5%，碳0.1%，镍88.4%;直至喷涂到光杆杆体的末端，喷涂时喷涂用合金粉末是通过气泵输送到金属粉末喷枪中的，并与氧气和乙炔在金属粉末喷枪中混合后从喷枪口送出，其中输送到金属粉末喷枪的氧气流量为0.39m7h0.41m'7h，乙炔流量为0.79m:7h0.81m7h，气泵的气体压力为0.023MPa0.025Mpa;光杆杆体终端喷完后，使光杆杆体以190转/分钟210转/分钟的速度转动着在中频感应加热器的加热线圈内沿轴向以19ram/s21mra/s的速度再次向相反方向移动，并用金属粉末喷枪对柱塞杆体喷涂第二遍；如果涂层厚度要求较高则喷第三遍；四、将具有上述合金涂层的抽油光杆毛坯进行重熔冷却完成喷涂后，关闭喷枪，打开上海华仪感应加热设备有限公司生产的KGPS-160KW/8KHZ型中频感应加热器，对光杆杆体进行表面感应加热，中频感应加热器的输出功率保持在108KW112KW，光杆杆体相对中频感应加热器的线圈作转动和直线运动，光杆的转动速度为145转/分钟155转/分钟，沿轴向的移动速度为13mm/s15mm/s，使粉末充分熔化流动；在重熔的同时，启动冷却水水泵，从加热线圈伸出来的重熔后的光杆杆体在经过冷却水圈时被冷却水迅速降温。五、抽油光杆的回火热处理当光杆完成重熔和冷却后，将冷却水水泵关闭，同时将中频感应加热器的输出功率调整至3337KW，光杆杆体相对中频感应加热器的线圈作转动和直线运动，光杆的转动速度为145转/分钟155转/分钟，沿轴向的移动速度为13mm/s15mm/s，让光杆反向再次从头至尾通过中频感应加热线圈，使杆体进行一次中温回火热处理；通过重熔、冷却和回火处理这一个来回的运动，光杆完成了表面涂层重熔和杆体热处理两个工艺，一方面，该喷涂层通过重熔工艺与柱塞基体材料形成冶金结合，涂层的成分与基体的成分在重熔过程中相互扩散渗透，在涂层和基体材料之间存在一定厚度的过渡区，使得涂层到基体的成分变化相对缓慢，避免了形成成分突变的界面，也就避免了电镀铬涂层在表面出现缺陷后因腐蚀的扩展导致涂层大片脱落的问题，另一方面，光杆杆体通过感应加热到高温又迅速冷却然后经过中温回火，而使杆体基材发生组织转变，冷却到室温后杆体力学性能经检测达到现有抽油杆最高强度级别H级，同时疲劳强度大幅度超过目前石油行业标准。六、抽油光杆抛光处理完成重熔和热处理的光杆再次反向运动，关闭中频感应加热设备和水冷却设备，打开砂带打磨机用200#砂带对光杆表面打磨抛光，使杆体直径达到标准要求。此时光杆表面合金涂层厚度也达到0.lmm0.2mm范围，即得到超高强度防腐抽油光杆成品。实施例二，本发明超高强度防腐抽油光杆的制作方法，它的制作步骤同实施例一，不同之处在于1、第一步中制作低合金结构钢棒材所用合金粉末混合物中各化学成分重量百分比为碳0.11%,硅1.50%，锰2.2%，铬2.70%，钼0.40%，镍O.9%，铜O.20%，磷0.025%，硫O.25%，余量为铁；2、第三步杆体表面耐腐蚀合金涂层中各化学成分重量百分比为铬10%，铁4%，硅3.5%，硼2.5%，碳0.4%，镍79.6%。实施例三，本发明超高强度防腐抽油光杆的制作方法，它的制作步骤同实施例一，不同之处在于1、第一步中制作低合金结构钢棒材所用合金粉末混合物中各化学成分重量百分比为碳0.08%，硅0.70%，锰1.70%,铬1.20%，钼0.25%，镍O.4%，铜O.15%，磷O.02%，硫O.20%，余量为铁；2、第三步杆体表面耐腐蚀合金涂层中各化学成分重量百分比为铬8%，铁1.5%，硅2.5%，硼1.8%，碳0.15%，镍86.05%。实施例三，本发明超高强度防腐抽油光杆的制作方法，它的制作步骤同实施例一，不同之处在于1、第一步中制作低合金结构钢棒材所用合金粉末混合物中各化学成分重量百分比为碳O.10%，硅1.30%，锰2.0%，铬2.40%，钼O.35%，镍O.7%，铜O.17%，磷0.022%，硫0.22%，余量为铁；2、第三步杆体表面耐腐蚀合金涂层中各化学成分重量百分比为铬9%，铁3.4%，硅3.1%，硼2.2%，碳0.34%,镍81.96%。通过本发明制作的超高强度防腐抽油光杆，如图1所示，它是一种柔性长杆，杆体3的两端有可与抽油杆接箍连接的外螺纹1、4，杆体3的一端临近外螺纹处具有墩粗5，在光杆外表面喷涂有一层耐腐蚀耐磨损合金涂层2,杆体表面耐腐蚀合金涂层2的厚度为0.10.2mm。如果耐腐蚀涂层2的厚度小于0.lmm，则不能完全保证抽油光杆在正常使用时期内的正常磨损消耗。实施例一、二、三、四制作的超高强度防腐抽油光杆的力学性能见表一。表一超高强度防腐抽油光杆的各实施例的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求1、一种超高强度防腐抽油光杆的制作方法，其特征是，它包括下列步骤一、低合金结构钢棒材的制备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％，锰1.60％～2.2％，铬0.90％～2.70％，钼0.20％～0.40％，镍≤0.9％，铜≤0.20％，磷≤0.025％，硫≤0.25％，余量为铁；将上述合金粉末混合按照杆体基体低合金结构钢的配方在电炉中冶炼，将钢液浇注成钢锭；将上述钢锭用轧机轧制成的方胚，再用连轧机采用控轧控冷工艺加热温度1090℃，终轧温度900℃，冷却速度3℃/s将钢坯轧制成圆钢，剪成定尺低合金结构钢棒材，空冷到室温即可；二、抽油光杆毛坯的制备将获得的低合金结构钢棒材用冷拔机冷拔到抽油光杆标准长度，再利用抽油杆校直机进行校直，将杆体一端利用液压双缸镦粗机进行端部镦粗，然后使用车床对光杆两端进行螺纹加工形成抽油光杆毛坯；三、抽油光杆毛坯的表面喷涂用喷涂用合金粉末喷涂到抽油光杆毛坯上形成合金涂层，喷涂用合金粉末的重量百分比是铬7％～10％，铁≤4％，硅2.0％～3.5％，硼1.5％～2.5％，碳≤0.4％，镍79.6％～85.1％；四、将具有上述合金涂层的抽油光杆毛坯进行重熔冷却利用中频感应加热器对第四得到的光杆杆体进行表面感应加热，使合金涂层中的金属粉末充分熔化流动，在重熔的同时，启动冷却水水泵，利用冷却水圈将从中频感应加热器伸出来的重熔后的光杆杆体迅速降温；五、抽油光杆的回火热处理当光杆完成重熔和冷却后，利用中频感应加热器对杆体进行一次中温回火热处理；六、抽油光杆抛光处理利用砂带对抽油光杆表面打磨抛光，使光杆表面合金涂层厚度为0.1mm～0.2mm范围，即得到超高强度防腐抽油光杆。全文摘要本发明涉及一种超高强度抽油光杆的制作方法，它包括下列步骤1.低合金结构钢棒材的制备；2.抽油光杆毛坯的制备；3.抽油光杆毛坯的表面喷涂；4.将具有上述合金涂层的抽油光杆毛坯进行重熔冷却；5.抽油光杆的回火热处理；6.抽油光杆抛光处理，最后得到超高强度防腐抽油光杆。通过这种方法制作的抽油光杆适用于工作环境腐蚀严重的油井，同时也大幅度延长光杆的使用时间，减少作业次数，提高油田开发产量。文档编号E21B17/00GK101187295SQ200710188009公开日2008年5月28日申请日期2007年11月21日优先权日2006年11月21日发明者吴振宁,张庚娟,贺志刚,轩翠霞,黄锦滨申请人:安东石油技术(集团)有限公司