本发明涉及石油工具，更具体涉及一种专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子。
背景技术：
抽油光杆是油田人工举升采油最关键的部件之一，为了解决磨损和腐蚀问题，在API 11B和SY/T 5029标准中都推荐使用喷焊镍基合金涂层抽油光杆。但是，对于这类喷焊合金涂层抽油光杆来说，疲劳断裂成为困扰镍基合金涂层抽油光杆失效的最主要问题。现有的研究中，大都从抽油光杆角度入手来解决其疲劳断裂问题，一是采用高疲劳强度抽油光杆基材；二是对喷焊的合金涂层成分进行调整，使涂层的韧性得到改善；三是对抽油光杆和基材的处理工艺进行优化。
但事实上，光杆卡子同样对喷焊涂层抽油光杆的疲劳断裂有着显著影响。光杆卡子是连接抽油机驴头和光杆的关键石油工具，通常包括圆弧形内表面夹板和螺栓，将光杆置于前后两个夹板中间，通过螺栓将前后两个夹板进行紧固，从而实现对抽油光杆的夹持。光杆卡子大体分为两大类，一类是夹板内表面通过卡牙对光杆表面进行卡咬来实现对光杆的紧固，其中卡牙对光杆表面形成的卡咬痕迹引起的应力集中都会成为疲劳裂纹源，特别是喷焊涂层光杆的影响尤为显著；另一类是夹板内表面无卡牙，而是通过对夹板施加压力来实现光杆的夹持，由于只是通过光滑表面对光杆进行抱紧，因此需要施加很高的应力才不会打滑，这样的高应力同样会引起喷焊涂层抽油光杆出现疲劳源。统计发现，光杆卡子及其下方10公分范围内的弯曲应力集中区域是包括普通光杆和喷焊涂层光杆在内的抽油光杆疲劳断裂的高发位置。其主要原因之一就是光杆卡子的夹持会使喷焊合金涂层表面出现应力集中，而合金涂层硬度相对较高，在夹持或弯曲等变形条件下易于出现裂纹，而由于涂层与基体之间的冶金结合，一旦裂纹扩展进入光杆基材表层后就会快速在基体内部扩展，从而导致疲劳断裂的发生。而现有的关于光杆卡子的研究无法有效解决由于卡子的夹持引起的喷焊涂层抽油光杆的疲劳断裂问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种专门针对喷焊合金涂层抽油光杆，可有效解决由于夹持引起的喷焊涂层抽油光杆的疲劳断裂的光杆卡子。
按照本发明提供的一种专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，包括前夹板、后夹板和螺栓，所述螺栓将所述前夹板和后夹板连接后对所述喷焊合金涂层抽油光杆进行夹持，其采用的主要技术方案为：还包括金属垫层，所述金属垫层为圆弧型板材，与所述夹板相互配合，且所述金属垫层在高度方向的上下边缘均有外沿，所述金属垫层的材质为纯金属材料，所述夹板内表面为圆弧状，所述夹板内表面上有凸起的卡牙，所述卡牙以区块形式间断分布在所述夹板内表面上。
本发明中引入金属垫层处于光杆卡子和喷焊涂层抽油光杆之间，所述金属垫层设计显著区别于现有的光杆卡子。
本发明提供的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，还采用如下附属技术方案：所述夹板内表面卡牙的上端和下端均与所述夹板上下边缘之间的距离为30-50毫米。通过该设计避免了卡牙在卡子边缘处的设计，可以缓解由于所述夹板内表面卡牙导致的应力集中和由于所述光杆卡子边缘处完全应力集中的过渡叠加，一定程度上降低所述光杆卡子上、下边缘处喷焊涂层抽油光杆的应力集中。
所述前夹板和所述后夹板内表面的所述卡牙以区块形式相互间隔交替排列，使得所述光杆卡子对喷焊涂层抽油光杆表面的夹持变得不连续，所述卡牙的每一组区块均完全一致，作为一个结构单元，在所述前后夹板固定后，所述抽油光杆表面任一被卡咬横截面对应所述卡牙的长度相等，从而可以确保光杆卡子夹持部位的应力集中相对均匀。
所述夹板内表面卡牙区块之间在所述夹板高度方向上的间距为20-30 mm。该设计同样可以使得所述光杆卡子对喷焊涂层抽油光杆表面的夹持变得不连续。
所述金属垫层的材料为纯铜，所述金属垫层的材料也可为纯铝，按质量百分含量计，所述纯铜和纯铝的纯度均不低于99%。
所述纯铜和纯铝均为面心立方结构，且其延伸率不低于50%，断面收缩率不低于70%。选用面心立方结构的纯铜和纯铝可以获得易滑移变形的结构，同时延伸率和断面收缩率的指标限定也进一步确保了所述纯铜和纯铝的塑性和延展性，确保在夹持过程中的实时形变，当所述卡牙对所述喷焊涂层抽油光杆表面产生塑性变形时，可以及时对涂层表面产生的裂纹进行覆盖和粘附，并利用其良好的延展性实现对裂纹扩展的阻碍和抑制。
所述金属垫层的厚度不得超过所述夹板内表面的所述卡牙的高度。该设计确保了所述光杆卡子在夹持所述喷焊涂层抽油光杆时，所述卡牙可以在增加了所述金属垫层后还可以有效实现对所述喷焊涂层抽油光杆表面的卡咬，同时卡牙卡咬过程中金属垫层的实时变形也可以使得金属垫层在整个夹持面积内与喷焊合金涂层抽油光杆实现全面贴合。
所述金属垫层为一次性用品，不可重复使用。由于所述金属垫层需要具备好的塑性变形能力，而经过变形后的所述金属垫层的塑性变形会变差，因此所述金属垫层不可以重复使用。
本发明提供的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子的使用方法，包括以下步骤：
（1）将抽油光杆待夹持部位表面彻底清理油污，防止油污对后期所述金属垫层作用效果的影响；
（2）对待夹持部位进行抛光处理，使其表面粗糙度不超过0.1微米，该粗糙度的设定可以使得金属垫层在所述光杆卡子挤压作用下和所述喷焊涂层抽油光杆之间的紧密贴合；
（3）将所述金属垫层和夹板相互配合好，贴合在所述喷焊合金涂层抽油光杆待夹持部位表面，然后用所述螺栓一次性将所述前夹板和后夹板牢固安装在所述金属垫层表面；
（4）对同一光杆的夹持位置再次进行夹持时，先用砂纸和工具将抽油光杆夹持部位表面残余粘附的所述金属垫层材料清理干净，避免残留金属垫层和新的金属垫层之间的两层皮效应；
（5）采用同一个光杆卡子再次夹持时，先用砂纸和工具将所述光杆卡子的所述夹板内表面残余粘附的所述金属垫层材料清理干净，并更换新的所述金属垫层之后方可再次使用。
按照本发明提供的一种专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，首次在光杆卡子和喷焊涂层抽油光杆中间引入金属垫层，兼顾了对喷焊合金涂层抽油光杆的夹持和对其抗疲劳性能的改善。本发明首次在光杆卡子和喷焊涂层抽油光杆中间引入金属垫层，从一个全新的角度来实现卡牙夹持过程中裂纹源形成和扩展的有效抑制。金属垫层充分利用了纯铜和纯铝延伸率和断面收缩率都很好的特性，其延伸率不低于50%，断面收缩率不低于70%，将其置于所述光杆卡子和喷焊涂层抽油光杆之间，在所述卡牙夹持时可以很容易实现实时变形，使得卡牙可以迅速对光杆表面进行卡咬，但至始至终所述金属垫层都将所述卡牙和所述涂层表面进行分隔，降低卡咬部位涂层表面的直接破坏和应力集中程度，而对于出现微观裂纹的光杆涂层表面，所述金属垫层可以实现及时的覆盖和粘附，特别是涂层表面裂纹产生部位为新鲜表面，其表面能很高，而其对应的正好也是所述金属垫层在卡牙挤压作用下形成的新鲜金属表面，两种新鲜表面之间的结合力强，可以在裂纹出现的同时实现两种新鲜表面之间的结合，在缓解裂纹末端的应力集中的同时，抑制裂纹的扩展。
2、本发明的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，通过对夹板表面卡牙的设计，使得喷焊涂层光杆被夹持部位应力集中导致的裂纹扩展得到钉扎式有效遏制。本发明中的卡牙以区块形式分布，任意两个区块之间在夹板圆弧内表面的周长方向和长度方向上均间隔分布，使得所述喷焊涂层抽油光杆表面承受的应力集中不连续，而金属垫层可以在卡牙区块之间形成阻隔，在卡牙加持过程中实时变形，对卡牙区块边缘形成压应力，阻碍不同区块之间对应涂层光杆表面裂纹的相互连接；对于卡牙夹持部位对应的涂层光杆表面而言，金属垫层对卡牙在涂层表面形成的裂纹末端的及时覆盖和粘附，实现每一个卡牙区块表面的金属垫层都成为涂层表面裂纹形成和扩展的阻碍点所在，通过多点分布以钉扎的原理有效实现对裂纹的形成和扩展的阻碍和抑制。
3、本发明的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，通过金属垫层的设计可以实现与夹板的良好配合。本发明的金属垫层通过圆弧形表面的设计很好地和夹板内表面实现贴合，而且所述金属垫层在高度方向的上下边缘均有外沿，可与夹板内表面高度方向两端的卡牙边缘形成配合，在开始安装时方便定位。
4、本发明的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，采用纯铜和纯铝作为金属垫层，成本低，易加工，对光杆的加工工艺和涂层成分等均没有限定，对于无涂层的普通抽油光杆同样有效，适合于大规模推广。
附图说明
图1是本发明的光杆卡子整体结构示意图。
图2是本发明的光杆卡子夹板横截面结构示意图。
图3是本发明的光杆卡子前夹板结构示意图。
图4是本发明的光杆卡子后夹板结构示意图。
图5是本发明的光杆卡子金属垫层结构示意图。
图6是本发明的光杆卡子金属垫层横截面结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图6，按照本发明提供的一种专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子，包括前夹板1、后夹板2和螺栓3，所述螺栓3将所述前夹板1和后夹板2连接后对所述喷焊合金涂层抽油光杆4进行夹持，其采用的主要技术方案为：还包括金属垫层5，所述金属垫层5为圆弧型板材，与所述夹板1、2相互配合，且所述金属垫层5在高度方向的上下边缘均有外沿51，所述金属垫层5的材质为纯金属材料，所述夹板1、2内表面为圆弧状，所述夹板1、2内表面上有凸起的卡牙6，所述卡牙6以区块形式间断分布在所述夹板1、2内表面上。
本发明中引入金属垫层5处于光杆卡子和喷焊涂层抽油光杆4之间，所述金属垫层5设计显著区别于现有的光杆卡子。
所述夹板1、2内表面卡牙6的上端和下端均与所述夹板1、2上下边缘之间的距离为30-50毫米。通过该设计避免了卡牙在卡子边缘处的设计，可以缓解由于所述夹板内表面卡牙导致的应力集中和由于所述光杆卡子边缘处完全应力集中的过渡叠加，一定程度上降低所述光杆卡子上、下边缘处喷焊涂层抽油光杆的应力集中。
所述前夹板1和所述后夹板2内表面的所述卡牙6以区块形式相互间隔交替排列，使得所述光杆卡子对喷焊涂层抽油光杆表面的夹持变得不连续，所述卡牙6的每一组区块均完全一致，作为一个结构单元，在所述前后夹板固定后，通过两个夹板表面的卡牙之间的相互配合,使所述抽油光杆表面任一被卡咬横截面对应所述卡牙的长度相等，从而可以确保光杆卡子夹持部位的应力集中相对均匀。
所述夹板1、2内表面卡牙区块之间在所述夹板高度方向上的间距为20-30 mm。该设计同样可以使得所述光杆卡子对喷焊涂层抽油光杆表面的夹持在径向和轴向都变得不连续。
所述金属垫层5的材料为纯铜，所述金属垫层5的材料也可为纯铝，按质量百分含量计，所述纯铜和纯铝的纯度均不低于99%。所述纯铜和纯铝均为面心立方结构，且其延伸率不低于50%，断面收缩率不低于70%。选用面心立方结构的纯铜和纯铝可以获得易滑移变形的结构，同时延伸率和断面收缩率的指标限定也进一步确保了所述纯铜和纯铝的塑性和延展性，确保在夹持过程中的实时形变，当所述卡牙对所述喷焊涂层抽油光杆表面产生塑性变形时，可以及时对涂层表面产生的裂纹进行覆盖和粘附，并利用其良好的延展性实现对裂纹扩展的阻碍和抑制。所述金属垫层至始至终都将所述卡牙和所述涂层表面进行分隔，降低卡咬部位涂层表面的应力集中程度，而对于出现微观裂纹的光杆涂层表面，所述金属垫层可以实现及时的覆盖和粘附，缓解裂纹末端的应力集中，从而抑制裂纹的扩展。
所述金属垫层5的厚度不得超过所述夹板内表面的所述卡牙6的高度。该设计使确保了所述光杆卡子在夹持所述喷焊涂层抽油光杆时，所述卡牙可以在增加了所述金属垫层后还可以有效实现对所述喷焊涂层抽油光杆表面的卡咬。
所述金属垫层5为一次性用品，不可重复使用。
以上卡牙的区块式间隔分布设计以及金属垫层厚度的设计，使得金属垫层可以实现区块式钉扎，对卡牙在涂层表面形成的裂纹末端的及时覆盖和粘附，实现每一个卡牙区块周围都成为涂层表面裂纹形成和扩展的阻碍点所在，通过多点分布以钉扎的原理有效实现对裂纹的形成和扩展的阻碍和抑制。
本发明提供的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子的使用方法，包括以下步骤：
（1）将喷焊涂层抽油光杆4待夹持部位表面彻底清理油污，防止油污对后期所述金属垫层5作用效果的影响；
（2）对待夹持部位进行抛光处理，使其表面粗糙度不超过0.1微米，该粗糙度的设定可以使得金属垫层5在所述光杆卡子挤压作用下和所述喷焊涂层抽油光杆4之间的紧密贴合；
（3）将所述金属垫层和夹板相互配合好，贴合在所述喷焊合金涂层抽油光杆待夹持部位表面，然后用所述螺栓一次性将所述前夹板和后夹板牢固安装在所述金属垫层表面；
（4）对同一光杆的夹持位置再次进行夹持时，先用砂纸和工具将抽油光杆夹持部位表面残余粘附的所述金属垫层材料清理干净，避免残留金属垫层和新的金属垫层之间的两层皮效应；
（5）采用同一个光杆卡子再次夹持时，先用砂纸和工具将所述光杆卡子的所述夹板内表面残余粘附的所述金属垫层材料清理干净，并更换新的所述金属垫层之后方可再次使用。
为了更好的检验实际效果，采用35CrMo钢基材表面制备NiCrBSi合金涂层的这种油田常见的合金涂层抽油光杆实物作为试样，在MTS 810.15型疲劳试验机上进行了本发明光杆卡子和无金属垫层普通光杆卡子的高应力加速对比试验，模拟其在实际服役过程中的效果。试样长度500 mm，直径25.4 mm，应力条件：700 MPa、4 Hz、R=0.1，正弦波，实现对试样完全夹持牢固时试样夹具侧向力21 MPa，分别采用10根试样进行对比试验，结果发现，无金属垫层的普通光杆卡子夹持时，试样疲劳断口位置全部在光杆卡子区域，其中2根断在卡子最下端卡牙处，8根断在光杆卡子夹持部位中间的卡牙边缘，疲劳周次均低于9万次；采用本发明的光杆卡子后（金属垫层采用纯铝），有4根试样断裂发生在光杆卡子以外区域的试样中间部位，疲劳周次达到35万次以上，表明光杆卡子夹持对涂层光杆产生的影响已经被本发明光杆卡子完全给去除，有6根同样发生在光杆卡子区域，但是与无金属垫层普通光杆卡子相比，其疲劳断裂周次达到20-30万次，表明本发明的光杆卡子显著减少和抑制了由于卡牙夹持对合金涂层抽油光杆表面疲劳裂纹的产生和扩展，可以有效提高涂层抽油光杆的疲劳寿命，而且通过对试验结束后试样表面进行观察发现，涂层表面裂纹处被所述纯铝金属垫层材料完全覆盖和粘着，在卡牙夹持部位已经无法用外力对纯铝垫层金属进行撕扯分离，对于断口位置的观察发现纯铝垫层材料已经进入到断口平面上的一定深度，并与断口平面贴合紧密。由上可见，本发明提供的专用于喷焊合金涂层抽油光杆的光杆卡子可有效解决由于夹持引起的喷焊涂层抽油光杆的疲劳断裂，特别适用于喷焊合金涂层抽油光杆。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。