抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺的制作方法

本发明属于石油开采设备防腐
技术领域：
，尤其涉及一种抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺。
背景技术：
：在原油开采过程中，抽油机有杆泵采油是最为主要的一种人工举升采油方式，因其设备简单、投资少、管理方便、适应性强，在国内外油田广泛采用。在人工举升采油方式中，有杆泵采油设备主要包括抽油机、抽油杆柱和抽油泵三个部分，其中抽油光杆是抽油杆柱中位于最上面的第一个杆体，主要用于连接抽油机的驴头辫子和井下的抽油杆，是有杆泵采油的关键部件之一。抽油光杆在工作过程中，由井口密封盒密封，并将地面抽油机的往复动力传递给井下抽油杆，上冲程的时候，抽油光杆杆体裸露在野外大气中，下冲程的时候浸没在油井的井液中，同时还要承受高温。此外，由于抽油机不对中、井口不对中等因素，还会和密封盒中的盘根发生摩擦，造成磨损，加上大气和井液中腐蚀介质的腐蚀，抽油光杆表面经常会出现腐蚀坑，造成密封盒的盘根漏油，降低抽油机的抽油效率，污染井口周边环境。另外，因表面腐蚀产生的腐蚀坑很容易成为抽油光杆疲劳断裂的裂纹源，在周期变化载荷的作用下，很容易使抽油光杆发生断裂而导致停井。随着油井开采逐渐进入中后期，大排井、深井、稠油井即腐蚀严重井越来越多，抽油光杆的工况条件日益恶劣，提高抽油光杆的耐腐蚀和耐磨损性能越发显得重要。目前，提高抽油光杆耐腐蚀性能的方法主要有化学镀镍磷、电镀铬等技术，这些技术都是通过在抽油光杆表面形成镀层来提高抽油光杆的耐腐蚀性和耐磨性，由于镀层和基体材料结合强度低、镀层厚度小、镀层本身耐磨性有限，使得涂镀类技术不能很好的解决抽油光杆的腐蚀问题。金属表面喷焊技术，通过使用热喷涂设备，在工件表面喷涂上一层防腐耐磨合金涂层，并对其进行重熔处理，使得涂层和工件表面发生冶金结合，从而大大提高涂层和工件表面的结合强度。此外，合金涂层本身通过合金粉末成分的优化配比，可以达到非常好的耐腐蚀和耐磨损性能。在抽油光杆表面进行金属喷焊处理，使得抽油光杆耐腐蚀性能好、使用寿命长，在油田开采中得到广泛的应用。但是，金属喷焊防腐抽头光杆的生产工艺流程长、涉及的加工设备多，导致设备占用面积大、需要的工人多、生产效率较低、成本高，从而阻碍了该产品的进一步推广。技术实现要素：本发明的目的是提供一种抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺,解决金属喷焊装置占地面积大、生产效率低以及抽油光杆耐腐蚀性能差的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种抽油光杆金属喷焊装置，包括导轨、机床和工作室，所述导轨固定在地面上，所述机床位于所述导轨的上面，所述机床车轮上的齿轮与所述导轨上的齿条啮合，所述机床上设置有支撑杆，所述支撑杆上方的支撑轮上支承有抽油光杆，所述工作室位于所述机床的上部，所述工作室从右向左分为第一子室、第二子室和第三子室，所述第一子室设置有砂带磨床，所述第二子室从右向左设置有中频感应加热线圈和冷却水圈，所述第三子室设置有喷枪，所述第一子室、第二子室和第三子室的侧壁上均设置有圆孔，所述圆孔直径大于抽油光杆直径，所述工作室、砂带磨床、中频感应加热线圈和火焰喷枪固定在地面上，所述冷却水圈固定在所述工作室的底部。优选的，所述抽油光杆金属喷焊装置还包括控制面板，所述控制面板上设置有用于控制所述机床和所述工作室运转的开关和旋钮。优选的，所述工作室为半封闭的长方体形，所述工作室(6)的长度为150～160cm。优选的，所述第一子室前后不设置挡板，所述第二子室前后设置有挡板，所述第二子室的后挡板上设置有排水孔和中频感应加热线圈放置口，所述第三子室设置有后挡板，所述第三子室后挡板上设置有金属粉末回收孔。优选的，所述砂带磨床的砂带宽度为38～42cm，所述砂带磨床上设置有两个磨头，右侧所述磨头为粗砂带磨头，左侧所述磨头为细砂带磨头，所述粗砂带磨头和所述细砂带磨头位于所述抽油光杆工作轴线的上方，所述粗砂带磨头和所述细砂带磨头的间距为4cm。优选的，所述中频感应加热线圈和所述冷却水圈的中心位于抽油光杆工作轴线上，所述中频感应加热线圈和所述冷却水圈的间距为15cm。优选的，所述火焰喷枪的喷嘴与抽油光杆工作轴线在同一水平面上，所述喷嘴到抽油光杆表面的距离为20～24cm。优选的，所述机床包括连接杆和轴座，所述抽油光杆的两端通过锁紧螺母与第一连接杆和第二连接杆连接，所述第一连接杆另一端与三爪卡盘卡接，所述三爪卡盘固定连接在第二轴座上，所述第二轴座下方设置有轴座导轨，所述第二轴座与第一轴座通过丝杠连接，所述第一轴座另一端设置有电机，所述第二连接杆通过三爪卡盘固定连接在第三轴座上，所述第三轴座的另一端设置有旋转电机。优选的，所述支撑杆之间的间距为0.9～1m，所述支撑杆上的支撑轮为黄铜材质。一种上述抽油光杆金属喷焊装置的生产工艺，其生产工艺流程为：所述机床在步进电机的驱动下移动到所述导轨的最右端，将所述抽油光杆通过锁紧螺母固定在所述第一连接杆和所述第二连接杆之间；所述机床以1～1.5cm/s的速度沿所述导轨向左移动，同时所述旋转电机以150～180转/分钟的速度旋转，开启所述砂带磨床、所述中频感应加热线圈和所述喷枪，粗砂带磨头下压，对抽油光杆表面进行粗化打磨、预热和喷涂，预热温度为130～150℃；当所述抽油光杆从所述工作室的左侧完全移出，所述机床开始向右反向移动并保持速度不变，关闭所述中频感应加热线圈和所述砂带磨床，所述喷枪继续工作，对所述抽油光杆表面进行二次喷粉；当所述抽油光杆从所述工作室的右侧完全移出，所述机床开始向左反向移动并保持速度不变，关闭所述火焰喷枪，完成合金涂层的喷涂工作，打开所述中频感应加热线圈，对抽油光杆表面的涂层进行重熔处理，同时打开所述冷却水圈对重熔处理后的所述抽油光杆进行水冷；当所述抽油光杆从所述工作室的左侧完全移出，所述机床开始向右反向移动，并将移动速度调整为0.4～0.5cm/s，关闭所述中频感应加热线圈，完成重熔处理，所述冷却水圈继续喷水冷却，启动所述砂带磨床，将所述细砂带磨头下压，对所述抽油光杆表面进行抛光处理；当所述抽油光杆从所述工作室的右侧完全移出，关闭所述冷却水圈和所述砂带磨床，完成加工。本发明采用上述结构的抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺，具有以下优点：1、本发明所述的抽油光杆金属喷焊装置占地面积小，所需厂房面积仅为原生产方式厂房面积的一半。2、本发明所述的抽油光杆金属喷焊装置自动化程度高，产品质量稳定性高，需要劳动力少，仅需1个操作工人和1个辅助装卸工即可完成全部生产工艺。3、本发明所述的抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺，生产效率高，生产周期为原生产工艺周期的一半。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例的结构示意图；图2为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例工作室结构示意图；图3为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例工作室中各装置布局示意图；图4为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例支撑杆结构示意图；图5为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例的工艺流程图；附图标记1、电机；2、丝杠；3、第二轴座；4、第一连接杆；5、支撑杆；6、工作室；7、三爪卡盘；8、第三轴座；9、旋转电机；10、机床；11、第二连接杆；12、抽油光杆；13、轴座导轨；14、第一轴座；15、导轨；51、支撑轮；52、支撑座；53、气缸柱塞；54、机械行程开关；55、气动换向阀；56、角钢立板；57、支撑气缸；58、气管；61、第一子室；62、第二子室；63、第三子室；611、砂带磨床；612、粗砂带磨头；613、细砂带磨头；621、中频感应加热线圈放置口；622、排水孔；623、中频感应加热线圈；624、冷却水圈；631、金属粉末回收孔；632、喷枪。具体实施方式图1为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例的结构示意图，图2为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例工作室结构示意图，图3为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例工作室中各装置布局示意图。如图1、图2和图3所示，抽油光杆金属喷焊装置包括导轨15、机床10和工作室6，导轨15固定在地面上，机床10位于导轨15的上面，机床10车轮上的齿轮与导轨15上的齿条啮合。工作室6为半封闭的长方体形，其长度为150～160cm，位于机床10的上部，固定在地面上。工作室6从右向左分为第一子室61、第二子室62和第三子室63。第一子室61不设置前后挡板，砂带磨床611的粗砂带磨头612和细砂带磨头613从第一子室61的后面伸入第一子室61内，并位于抽油光杆12工作轴线的上方，砂带磨床611固定在地面上，与第一子室61的位置保持不变。粗砂带磨头612和细砂带磨头613的间距为4cm，砂带宽度为38～42cm，粗砂带磨头612选用40目的砂带，细砂带磨头613为220目的砂带。第二子室62为相对封闭的结构，前后均设置有挡板，第二子室62从右向左设置有中频感应加热线圈623和冷却水圈624，中频感应加热线圈623和冷却水圈624的中心位于抽油光杆12工作轴线上，其间距为15cm。在第二子室62的后挡板上设置有排水孔622和中频感应加热线圈放置口621，排水孔622位于后挡板的左下方，利于冷却废水的排除，中频感应加热线圈623从第二子室62后挡板上的中频感应加热线圈放置口621伸入第二子室62内。中频感应加热线圈623固定在地面上，冷却水圈624固定在工作室6的底部，中频感应加热线圈623、冷却水圈624和第二子室62的相对位置保持不变。中频感应加热线圈623的内径要比抽油光杆12的外径大16～24mm，这是因为过大的间隙，热效率不够；若间隙太小，抽油光杆12移动过程中的振动会碰到中频感应加热线圈623。中频感应加热线圈623的中频电源频率为8kHz。第三子室63仅设置有后挡板，喷枪632从第三子室63的前面伸入第三子室63，喷枪632的喷嘴与抽油光杆12的工作轴线在同一水平面上，喷嘴到抽油光杆12表面的距离为20～24cm。第三子室63的后挡板上开设有金属粉末回收孔631，以利于喷枪632喷洒出的未被利用的金属粉末的回收。喷枪632固定在地面上，与第三子室63的相对位置保持不变。第一子室61、第二子室62和第三子室63的侧壁上均设置有圆孔，圆孔直径大于抽油光杆12直径，方便抽油光杆12在圆孔中穿过。抽油光杆12金属喷焊装置还设置有控制面板，控制面板上设置有机床10行走开关和行走速度调节旋钮、支撑杆5升降开关、抽油光杆12旋转开关和旋转速度调节旋钮、砂带磨床611开关、粗砂带磨头612下压开关、细砂带磨头613下压开关、喷枪632喷粉启动开关、中频感应加热线圈623启动开关和功率调节旋钮和冷却水圈624启动开关。控制面板可以实现喷焊装置的远程操控，自动化程度更高。机床10包括支撑杆5，抽油光杆12放置在支撑杆5上方的支撑轮51上，抽油光杆12的两端通过锁紧螺母与第一连接杆4和第二连接杆11连接，第一连接杆4另一端与三爪卡盘7卡接，使用三爪卡盘7方便连接杆的更换。三爪卡盘7固定连接在第二轴座3上，第二轴座3下方设置有轴座导轨1513，第二轴座3与第一轴座14通过丝杠2连接，第一轴座14另一端设置有电机1，电机1带动丝杠2旋转使第二轴座3在轴座导轨13上运动，可实现对不同长度抽油光杆12的夹持。第二连接杆11通过三爪卡盘7固定连接在第三轴座8上，第三轴座8的另一端设置有旋转电机9，抽油光杆12的旋转由旋转电机9来实现。当光杆通过工作室6时会有一个支撑杆5下降，不再起支撑作用，抽油光杆12会出现较大距离的悬空段，悬空段过长会导致杆体的跳动度过大，无法顺利通过中频感应加热线圈623和水冷线圈624，若悬空段过短，无法满足工作室6的尺寸要求，因此设定支撑杆5之间的间距为0.9～1m。图4为本发明抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺实施例支撑杆结构示意图。如图4所示，支撑杆5顶端设置有支撑轮51，支撑轮51与支撑座52通过轴连接，当抽油光杆12旋转时，支撑轮51也绕轴旋转，这样可以减小抽油光杆12与支撑轮51之间的摩擦力。支撑轮51通过支撑座52与气缸柱塞53连接，支撑气缸57固定在机床10底板上，支撑气缸57旁边设置有一块角钢立板56，角钢立板56顶端设置有机械行程开关54，机械行程开关54与控制面板相连。角钢立板56中部通过螺纹固定连接有气动换向阀55，气动换向阀55通过气管58与空压气源和支撑气缸57相连，机械行程开关54通过指令控制气动换向阀55实现支撑气缸57的升降。支撑轮51为黄铜材质，由于杆体表面喷涂有金属合金粉末，过硬的材质会增大合金涂层在喷涂工序后和重熔工序前这段时间发生挤压变形的几率，导致涂层在后续加工中剥落造成加工质量不合格。本发明的抽油光杆金属喷焊装置的生产工艺流程如下：(1)步骤101。机床10在步进电机1的驱动下移动到导轨15的最右端，第二连接杆11穿过工作室6，从工作室6的右侧伸出。调整第二轴座3与第三轴座8之前的距离以适合抽油光杆12的长度，将抽油光杆12镦粗端通过锁紧螺母固定在第一连接杆4上，抽油光杆12的非镦粗端通过锁紧螺母固定在第二连接杆11连接上。(2)步骤103。机床10以1～1.5cm/s的速度沿导轨15向左移动，同时旋转电机9以150～180转/分钟的速度旋转，开启砂带磨床611，粗砂带磨头612下压，对抽油光杆12表面进行粗化打磨，开启中频感应加热线圈623对打磨后抽油光杆12进行预热，预热温度为130～150℃，开启喷枪632对预热后的抽油光杆12进行喷粉。(3)步骤105。当抽油光杆12从工作室6的左侧完全移出，机床10开始向右反向移动并保持移动速度不变，关闭中频感应加热线圈623和砂带磨床611，喷枪632继续工作，对抽油光杆12表面进行二次喷粉。(4)步骤107。当抽油光杆12从工作室6的右侧完全移出，机床10开始向左反向移动并保持移动速度不变，关闭火焰喷枪632，完成合金涂层的喷涂工作。打开中频感应加热线圈623，对抽油光杆12表面的涂层进行重熔处理，同时打开冷却水圈624对重熔处理后的抽油光杆12进行水冷。(5)步骤109。当抽油光杆12从工作室6的左侧完全移出，机床10开始向右反向移动，将移动速度调整为0.4～0.5cm/s，关闭中频感应加热线圈623，完成重熔处理，冷却水圈624继续喷水冷却，启动砂带磨床611，将细砂带磨头613下压，对抽油光杆12表面进行抛光处理。(6)步骤1011。当抽油光杆12从工作室6的右侧完全移出，关闭冷却水圈624和砂带磨床611，完成加工。下面将结合具体实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，但本发明的保护范围并不限于本实施例。1、本发明选用3种常用的抽油光杆基体材质和常用的涂层材质进行研究，抽油光杆基体材质和涂层材质如表1所示。表1实施例抽油光杆基体材质和涂层材质实施例光杆基体材质表面合金喷涂层材质一20CrMo镍基合金粉末二42CrMo镍基合金粉末三16Mn2SiCrMoVTi(FG20)镍基合金粉末2、力学性能研究本发明采用100吨位拉伸试验机对喷焊后抽油光杆进行拉伸试验，结果如表2所述。表2实施例的力学性能试验结果表明本发明实施例的力学性能均满足SY/T5029《抽油杆》HL级规定的标准。3、耐疲劳试验检测利用疲劳试验机对实施例试样进行轴向拉伸试验，试验最大载荷540Mpa，载荷比0.1，正弦波加载频率50Hz，试验结果如表3所示。表3实施例的耐疲劳性能循环周次SY/T5029-2013《抽油杆》HL级标准≥1x106实施例一1.25x106实施例二1.19x106实施例三1.72x106试验结果表明本发明实施例的耐疲劳性能均满足SY/T5029《抽油杆》HL级规定的标准。4、耐腐蚀性检测耐腐蚀性采用对比试验，对比常规普通20CrMo钢抽油光杆，采用浸泡法考察试样的腐蚀失重。将本发明各实施例以及对比用20CrMo抽油杆制作成Φ28.6x4.5mm的试样。试样经220号、400号、600号砂纸逐级打磨，清水处理，丙酮除油，干燥后称重并计算工作面尺寸。采用美国Cortest公司生产的34.4Mpa高温高压釜，带有试样旋转装置。介质采用油田模拟采出液，模拟油田常见的带有H2S、Cl—、CO2等腐蚀介质的工作环境。介质的离子浓度为(g/L)：Cl—50，Ca2+18，Mg2+2；气体分压为(MPa)：CO21.20，H2S0.013。在釜中放好试样，加入腐蚀介质，密封，通入高纯N2气除氧12h，升温至预定温度80℃，通入H2S和CO2至预定压力，调节试样旋转装置，使介质相对试样的流速为1m/s，然后试验开始计时。腐蚀时间72小时。试验结束后取出试样，用清水冲去腐蚀介质，用无水乙醇脱水干燥并去除腐蚀产物。计算出各个试样的腐蚀速率。试验结果如表4所示。表4实施例和普通20CrMo钢抽油杆耐腐蚀性试验结果表明，采用本发明所述的抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺对抽油光杆表面进行金属喷焊后，抽油光杆的耐腐蚀性能比20CrMo钢抽油杆提高了10倍以上。综上所述，本发明所述的抽油光杆金属喷焊装置及其生产工艺不仅能够解决金属喷焊装置占地面积大、生产效率低的问题，而且自动化程度高、所需工人少、质量稳定性高，其喷焊后的抽油光杆力学性能和耐疲劳性能均满足SY/T5029《抽油杆》HL级规定的标准，耐腐蚀性能比普通20CrMo钢抽油光杆提高了10倍以上。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3