一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法技術

本發明專利技術提出了一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，屬于金屬桿管的加工領域。對細長管件內壁進行除油、除銹等常規處理后，采用自行設計的內壁噴涂設備(圖1)噴涂自制吸光涂料，然后利用大功率激光器和激光導光系統(圖3)對管件內壁進行激光表面相變硬化處理。自制的吸光涂料組成為：SiO2含量85％-100％，Y2O3含量0-7.5％，膨潤土含量0-7.5％，使用前球磨1-3小時。激光相變硬化所用激光器功率為1000-3000W，線掃描速度為1000-3500mm/min，調整管件的旋轉和激光導光系統的橫向進給，可得到不同形狀的激光相變硬化強化帶。激光相變硬化層深度為0.3-1.0mm，管件內壁表面硬度達到40-55HRC，表面光潔無裂紋，顯微組織超細化，耐磨性和耐蝕性明顯提高，大大延長了管件的使用壽命，拓寬了管件的應用范圍。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于金屬桿管的加工領域，涉及，可以用來提高細長管件的耐磨性和耐蝕性，延長管件的使用壽命，拓寬其應用領域。
技術介紹
細長管件是石油石化行業以及其它工農業部門大量使用的部件。抽油泵泵筒長度一般為3-9m，而直徑一般小于90mm，屬于細長管件。油管和套管是油氣田開發時下入油井套管內的管柱鋼管，是原油從地下輸送到地面的通道和支撐，也都屬于細長管件的范疇。它們在油氣田開發中都大量米用。目前，我國油、氣田開發大部分已進入中、高含水期，井液中富含H2S、C02、02、Cl-等腐蝕介質。同時井深結構的影響造成各種管件彎曲，管柱在工作中受交變載荷的影響 也會產生彎曲變形，從而造成抽油桿、油管和套管三者之間的相互偏磨，腐蝕和磨損的相互作用引起油管和套管穿孔失效。抽油泵泵筒與柱塞是一對重載摩擦副，在強腐蝕介質中，泵筒也面臨著嚴重到腐蝕和磨損失效。這些都大大增加了油田開發成本。腐蝕性介質一般在細長管件內部流動，摩擦副相互運動也在內壁進行，因此有必要對各種細長管件內壁進行強化。然而，由于受到形狀和尺寸的限制，目前可以采用的內壁強化方法較少，主要有表面涂鍍和化學熱處理兩大類。表面涂鍍主要有化學鍍Ni-P、電鍍Cr、電鍍W等方式，化學熱處理主要包括滲碳、滲氮，另外，管件內壁的表面防護方式還有內襯高密度聚乙烯(HDPE)、玻璃鋼、不銹鋼等耐磨耐蝕材料等。化學鍍Ni-P鍍層具有優良的耐蝕性、焊接性和減摩效果，不受鍍件尺寸的限制，但鍍層較薄、與基體結合力弱、硬度低、耐磨性較差且鍍層質量不穩定，另外化學鍍鍍液具有污染性，對環境危害很大，這嚴重限制了該技術的應用和推廣。鍍Cr層具有光亮、堅硬(硬度為800 1000HV0. 2)、抗變色、耐熱、耐磨等特點，但鍍Cr過程會產生鉻霧，會對工人和環境造成很大的危害。與鍍Cr相比，電鍍W有明顯的環保和節能優勢。二者在表面處理方面都獲得了一定程度的應用，但由于鍍層與基體的結合為機械結合，結合力較弱，鍍層易脫落，尤其在磨粒磨損的高應力腐蝕環境中，鍍層脫落后會成為腐蝕源，從而加速基體的腐蝕。滲碳可以保證材料良好的硬度和耐磨性，但耐蝕性較差，且滲碳溫度高、時間長，工件變形嚴重；與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而工件畸變小，但滲氮時間長，滲氮層很脆，另外，由于心部硬度較低，滲層也較淺，只能滿足承受輕度、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的零部件。碳鋯復合樹脂涂料是將具有自潤滑性能的非金屬和超硬金屬材料與環氧、尼龍等樹脂復合而成。將碳鋯復合樹脂涂料在一定條件下通過熱熔融方式涂覆在管件內表面，經高溫固化后形成碳鋯復合樹脂內涂層的技術。固化后生成的保護涂層呈網狀交聯，在微觀上有一定的孔洞，具有微觀彈性，能減輕一定的正壓力作用產生的磨損，具有超強耐磨和優良防腐雙重性能，但成本偏高。內襯HDPE是在鋼制普通油管內襯一層特種聚乙烯管，采用專用技術使襯管與油管貼在一起，形成“管中管”結構。這種內襯油管不僅可以解決油管偏磨與腐蝕難題，同時由于聚乙烯管摩擦系數較低，還可降低油井光桿負荷、抽油桿柱底部應力。由于聚乙烯材料耐熱性差，它們不能用于高壓氣井和溫度超過210°C的井下工況。襯里使油管的內徑略微縮小，且腐蝕液容易從端部滲入，造成管件的腐蝕和襯里的剝離。另外，泵、抽油桿、抽油桿接箍上的尖銳邊緣和嚴重麻點也可能損壞襯里。為避免對襯里造成機械損傷，在井場應該對所有井下部件進行快速檢查。雙金屬復合管襯管采用薄壁耐蝕合金材料管材。可根據腐蝕環境的不同，選用相應的襯管(普通/特種不銹鋼管、鈦/鋁等)材料，保證良好的耐腐 蝕性能；基管采用碳鋼(無縫或焊接鋼)管或其他合金鋼管，保證優異的機械力學性能。雙金屬復合管可以保證優良的綜合性能，但價格昂貴。上述各種表面強化工藝在許多零部件加工過程中都有成功的應用，但由于其固有的缺點，限制了其在細長管件內壁表面強化方面的應用。激光相變硬化技術，是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。激光相變硬化后，馬氏體和亞結構晶粒都被超細化，殘余奧氏體也被顯著強化。該方法主要用于強化零件的表面，在提高金屬材料表面性能的同時使零件心部仍保持較好的韌性，使零件具有耐磨性和耐蝕性好、沖擊韌性高、疲勞強度高的特點，且相變硬化層厚度厚，與基體呈冶金結合，結合強度高，工件變形小。針對上述各種細長管件內壁表面強化工藝的不足，本專利技術在普通細長管件的基礎上，采用吸光涂料內噴涂設備、激光導光系統及大功率激光器，對管件內壁進行激光表面相變硬化處理，得到激光相變硬化層，大大改善了管件的耐磨耐蝕性能，延長了管件的使用壽命，拓寬器應用領域。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種細長管件內壁激光表面相變硬化新方法，以改善管件材料的顯微組織形態，提高管件內壁的耐磨性和耐蝕性，延長管件的使用壽命，拓寬其應用領域。本專利技術目的是通過下述技術方案實現在細長管件的常規加工工序后，對管件內壁進行除油、除銹處理，采用自行設計的內壁噴涂設備噴涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光導光系統對管件內壁進行激光表面相變硬化處理，得到耐磨耐蝕性能優良的激光相變硬化層。清除管件內壁污物的一種方法是將噴丸機的噴嘴對準管口進行噴丸處理，管件內壁上的油、銹會隨同噴丸一同從管件另一端噴出，達到清除油污的目的，同時使管件內壁呈壓應力狀態。另外，清除管件內壁污物的方法也可以是噴砂、酸洗等。內噴涂設備(見圖I)通過導桿端部的旋杯高速旋轉使吸光涂料霧化，在后部旋轉電機的拖動下向后運動，對管件內壁進行噴涂。噴涂層必須均勻、致密、平整且厚度要合適，實物效果圖見圖2。自制的吸光涂料組成為Si02含量85%-100%，Y203含量0-7. 5 %，膨潤土含量0-7.5%，粘結劑使用蟲膠片飽和的酒精溶液，稀釋劑為稀料，使用前球磨1-3小時。內噴涂設備工作參數是風動機工作壓力O. 5-0. 9MPa，轉速10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,導桿移動速度 30_60m/min。細長管件內壁激光表面相變硬化是通過管件的軸向旋轉及激光導光系統(見圖3)的橫向進給來實現的。細長管件相變硬化后的實物圖見圖4。大功率激光器可采用圓形光斑或矩形光斑，功率為1000-2000W，掃描速度為1500-3500mm/min。激光導光系統的工作原理是通過一導光桿讓激光可以在細長管件內部聚焦，從而實現對油管內部的加工。管件內壁的激光相變硬化強化帶可以是不同間距的螺旋、不同網格大小的螺旋網格或不同間距的直紋。不同間距的螺旋通過如下方式實現管件以一定的速度軸向旋轉，激光導光系統橫向進給，得到螺旋強化帶。改變管件旋轉速度和激光導光系統的橫向進給速度，可得到不 同間距的螺旋強化帶。不同網格大小的螺旋網格是通過如下方式實現的完成單方向的螺旋強化帶加工后，管件以相同速度反向旋轉，激光導光系統橫向進給，得到螺旋網格強化帶。改變管件旋轉速度和激光導光系統的橫向進給速度，可得到不同間距的螺旋網格強化帶。不同間距的直紋強化帶是通過如下方式實現的先保持管件固定，激光導光系統橫向進給完成一次激光掃描，管件旋轉一定角度后，再進行一次激光掃描，重復以上過程，直至完成整根管件的加工，得到直紋強化帶。改變管件每次旋轉的角度，可得到不同間本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，其特征在于：對細長管件內壁進行除油、除銹處理后，采用自行設計的內壁噴涂設備噴涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光導光系統對管件內壁進行激光表面相變硬化處理。

【技術特征摘要】
1.一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，其特征在于對細長管件內壁進行除油、除銹處理后，采用自行設計的內壁噴涂設備噴涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光導光系統對管件內壁進行激光表面相變硬化處理。2.根據權利要求I所述的一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，其特征在于吸光涂料內噴涂設備通過導桿端部的旋杯高速旋轉使吸光涂料霧化，在后部旋轉電機的拖動下向后運動，對內壁進行噴涂。3.根據權利要求2所述的一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，其特征在于內噴涂設備工作參數是風動機工作壓力O. 4-0. 9MPa，轉速為10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,導桿移動速度 30_60m/min。4.根據權利要求I或2所述的一種細長管件內壁激光表面相變硬化方法，其特征在于自制的吸光涂料組成為SiO2含量85% -100%，L2O3含量0-7. 5%，膨潤土含量0-7. 5%，粘結劑使用蟲膠片飽和的酒精溶液，稀釋劑為稀料，使用前球磨1-3小時。5.根據權利要求I或2所述的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王勇，韓彬，趙衛民，韓濤，孫建波，董立先，薛敏鵬，
申請(專利權)人：中國石油天然氣集團公司，中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：