专利名称：一种泥浆泵缸套及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种供泥浆泵用，特别是石油开采中使用的泥浆泵的缸套。
背景技术：
目前采用高速、高压喷射钻井工艺是油田钻采发展趋势的必然选择。而且只能利用高可靠性的泥浆泵。泥浆泵是石油钻井工作台的心脏，而缸套和活塞又是泥浆泵关键机构中的一对摩擦副。由于工况条件恶劣(泵压17～35Mpa，活塞冲次100～120次/分，摩擦温度70～170℃，泥浆含砂量3-5％，且呈碱性PH9-10)使泥浆泵的使用寿命极短，动辄停机更换，严重影响钻井效率，又造成原材料大量消耗和设备工时的严重浪费。因此，提高缸套的使用寿命，是提高钻井效率和经济效益的必要措施。
泥浆泵的缸套磨损主要是三体磨损。所谓三体磨料磨损是指直接参与磨损的要素。泥浆泵工作时摩擦副在相对运动中，磨料首先嵌入表面硬度较低的摩擦副表面中，磨料的尖角在往复运动中犁沟另一摩擦副表面，产生拉伤犁沟，当犁沟尺寸较大时即会引起密封功能被破坏，使配件失效。加之碱性泥浆的腐蚀作用，对泥浆泵的磨蚀作用更为加剧。根据缸套失效损坏情况分析，要提高缸套的使用寿命，就必须提高其的表面硬度和抗磨蚀性。
为提高泥浆泵的工作寿命，现有技术中采用如下一些技术措施由大港油田集团新世纪公司生产的双金属缸套，采用离心浇铸成型，其外套为优质碳素钢，内衬为高碳高铬合金铸铁，缸套硬度大于HRC60，其使用寿命达1000小时以上，能承受62吨以上轴向压力。
由中国科学院过程工程研究所研发的双金属复合离心铸造泥浆泵缸套，采用复合缸套机加工技术和保护渣离心浇铸工艺，其缸套的内层为高铬合金铸铁经热处理成型。其使用寿命比耐磨钢管烘装冷嵌工艺生产的双金属泥浆泵缸套提高三倍以上。
2003年由兰州理工大学，苏义祥，王智平等进行的泥浆泵高性能缸套材料研制出用粉末粘结技术，离心涂敷工艺和电磁感应成型技术生产的高性能泥浆泵缸套，其使用寿命在1000小时以上。
北京金达凌石油科技发展中心研发的泥浆泵缸套产品，采用内外套分时熔铸工艺实现双金属缸套一步铸造成型，辅以新的热处理和机加工工艺，从而使缸套性能明显提高。
目前，双金属复合离心铸造泥浆泵缸套技术成熟，为市场广泛接受，占领市场份额达90％以上，所用材料基本上为高铬铸铁。国外石油公司也采用高铬铸铁缸套，如美国的国民公司(National)、米兴公司(Mission)和瑞德公司(Read)以及俄罗斯等。据情报显示，目前国外产品使用寿命可达800-1000小时。根据资料查新和调查，目前世界上耐磨缸套以美国生产的双金属缸套为最好，根据报导其使用寿命达到1000小时以上。
在双金属复合离心铸造泥浆泵工艺得到改善和提升的同时，泥浆泵陶瓷缸套的研发也有了相应的突破和进展。运用近代的相变增韧技术，以高韧、高强的增韧氧化物陶瓷材料制成大尺寸整体陶瓷缸套，通过烘装至缸套内壁，以提高使用寿命。如天津大学研制的石油钻井高压泵用陶瓷缸套，是以高韧性、高强度的增韧氧化物陶瓷材料制成大尺寸陶瓷缸套，使缸套使用寿命为金属缸套的5倍。
虽然常压烧结增韧氧化物陶瓷材料韧性较高，达KIC6-9Mpa，硬度也较高，洛氏硬度HRC70以上；其缸套使用寿命为双金属缸套的5倍，但在实际应用中，由于陶瓷的韧性较差，现场泵压达17-35Mpa，经常出现陶瓷内衬炸裂破损的不足，使其实际使用时间具有很大的不确定性，有时甚至出现使用时间比双金属缸套更短的情况。
发明内容
本发明提供一种可比现有技术制备的泥浆泵缸套具有更高硬度、更高抗磨蚀性和更长使用寿命的新型泥浆泵缸套。
本发明的缸套由碳钢外套和用钨钴钛合金制成的内套构成，外套与内套间过盈配合，其中内套合金中的钨∶钴∶钛为6∶2∶1.5，在合金中还有占合金总重量3％的碳、硼、铁等元素，其中碳、硼、铁的相对比例为铁∶硼∶碳为4.8～5.3∶2.0～2.5∶1.5～1.8。
本发明缸套成形后进行至少2次650℃±10℃温度下进行回火处理。
经实际的检测，本发明的缸套主要性能指标如下1、硬度较高，实际硬度为HRC＞70；2、耐磨性能优于现有技术，比现我使用的高铬高碳双金属材料的缸套耐磨蚀性提高约20多倍；3、使用寿命长，正常使用条件下可达到10000小时以上，这是现有技术完全无法达到的。
图1为本发明的泥浆泵缸套结构剖面示意图，其中1为碳钢的外套，2为由钨钴钛合金制成的内套，3为设于外套上的定位凸缘。
图2为本发明的泥浆泵缸套使用中磨蚀率与使用寿命曲线图，其中横坐标为使用寿命，单位为“月”；纵坐标为磨损百分率。本图所用泥浆重度为7～23。
图3为现使用的高铬高碳材料的双金属缸套的磨蚀率与使用寿命曲线图，其中横坐标为使用寿命，单位为“天”；纵坐标为磨损百分率。本图中自左向右第一条曲线所用泥浆重度为22；第二条曲线所用泥浆重度为16.8；第三条曲线所用泥浆重度为12.9；第四条曲线所用泥浆重度为8.8。
图4为本发明经回火处理前的金相照片，其放大倍率为400倍。
图5为本发明经2次回火处理后的金相照片，其放大倍率为400倍。
具体实施例方式
由图1可见，本发明的外套1上设有定位的凸缘2，在外套1内过盈嵌入用钨钴钛合金制成的内套2构成。
本发明的外套用35号钢制成。本发明的内套所用的合金中，钨∶钴∶钛之比为6∶2∶1.5。另外，在合金中还有占合金总重量3％的碳、硼、铁等元素，其中铁∶硼∶碳之比为4.8～5.3∶2.0～2.5∶1.5～1.8。
本发明在制备中是事先用碳钢制成外套1和内套2，同时保证内套的外径与外套的内径间有0.1～0.25mm的过盈量保证。然后将碳钢的外套加热到500℃，将钨钴钛合金制成的内套加热到300℃，再将外套与内套套装实现外套与内套的静配合。
在完成以上工序后，再对产品整体进行2次以上的回火处理。这一回火处理既可松驰因安装产生的应力，同时可以改变内套的组织。经金相检查和相关的试验表明，内套的金相组织在回火处理前后有较明显的改变，参见图4和图5。由图4和图5可见，其组织明显细化，其机械性能有较大的提高。经检测，回火后的产品洛氏硬度大于HRC70。
经实际的使用表明，本发明的寿命大于10000小时以上，而且对泥浆的重度的变化不敏感，其磨蚀率与使用寿命参见图2。
与本发明相比，现广泛使用的高铬铜双金属套的抗磨蚀较差，而且泥浆重度对其的影响较为敏感，其磨蚀率与使用寿命参见图3。由图3可见，现有的缸套在当泥浆重度为22时，其使用寿命仅有不足9天的时间。
权利要求
1.一种泥浆泵缸套，包括一个管状构件，其上设有定位凸缘，其特征在于缸套由碳钢外套和用钨钴钛合金制成的内套构成，外套与内套间过盈配合，内外套的内径与间套的外径有0.1～0.25mm的过盈量，其中内套合金中的钨∶钴∶钛为6∶2∶1.5，在合金中还有占合金总重量3％的碳、硼、铁等元素，其中碳、硼、铁的相对比例为铁∶硼∶碳为4.8～5.3∶2.0～2.5∶1.5～1.8。
2.根据权利要求1所述的泥浆泵缸套的制备方法，事先用碳钢制成外套和内套，其特征在于先将碳钢的外套加热到500℃，将钨钴钛合金制成的内套加热到300℃，再将外套与内套套装实现外套与内套的静配合。
3.根据权利要求2所述的泥浆泵缸套的制备方法，其特征在于缸套在650℃±10℃温度下进行至少2次回火处理。
全文摘要
本发明公开一种供泥浆泵用，特别是石油开采中使用的泥浆泵的缸套及制备方法。本发明的缸套由碳钢外套和用钨钴钛合金制成的内套构成，外套与内套间过盈配合，其中内套合金中的钨∶钴∶钛为6∶2∶1.5，在合金中还有占合金总重量3％的碳、硼、铁等元素，其中碳、硼、铁的相对比例为铁∶硼∶碳为4.8～5.3∶2.0～2.5∶1.5～1.8。本发明的制备方法中包括内外套间的安装和其后进行的热处理方法。
文档编号F04B53/16GK1793649SQ200510022729
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年12月13日
发明者赵克中, 柴玉霖 申请人:赵克中, 柴玉霖