毕业论文——螺杆钻具马达转子不同处理工艺的应用

螺杆钻具马达转子不同处理工艺的应用摘要: 螺杆钻具马达转子在工作过程中需要耐磨、耐腐蚀。阐述了现行的电镀硬铬、电镀W-N i 基合金、化学N-i P 镀、热喷涂陶瓷涂层的表面处理工艺, 叙述了各种工艺的优、缺点, 比较了性能, 提出了改进方案, 并提出应根据不同钻井液体系选择不同的表面处理方法。关键词: 螺杆钻具; 转子; 耐腐蚀工艺选择螺杆钻具是一种容积式井底马达, 把循环钻井液的动能转化为旋转钻头破碎岩石的动力,因此钻具马达总成成为螺杆钻具的关键部分。转子工作介质为钻井泥浆, 外螺旋表面为工作表面, 不同体系的钻井液对钻具转子的性能要求不尽相同, 但都必须具有一定耐磨性和耐腐蚀特性, 转子的表面状态在很大程度上决定并影响钻具的使用寿命。转子为麻花形长轴, 不同规格有不同的头数( 以5 个头转子为例, 截面如图1 ) 。转子属于外形复杂件, 表面处理起来有一定局限。目前针对转子有很多处理方法, 不同厂家有不同的处理工艺。1 镀硬铬在高温条件下使用的机械通常采用镀硬铬工艺, 例如, 螺杆钻具马达转子目前很多厂家还在应用镀硬铬。1. 1 优点a) 镀硬铬表面光洁度高, 外观漂亮。b) 镀硬铬硬度高, 可达到900 1 200 HV, 在边界润滑情况下, 摩擦因数为0. 12 0. 14; 在干摩擦情况下摩擦因数是最低的, 耐磨性好。1. 2 缺点a) 镀铬溶液分散能力和覆盖能力差, 镀层不容易均匀, 尤其转子外形复杂, 峰谷和峰底尺寸相差大, 严重影响电力线分布, 造成镀层厚度相差5 10倍, 影响马达线型和使用性能。即使采用象形阳极或辅助阴极, 峰谷和峰底镀层厚度差值也要到2 3倍, 仍不能完全平衡电力线的分布, 造成镀层厚薄不均匀。b) 钢体上直接镀硬铬, 镀层应力大, 容易产生孔隙和裂纹, 如果镀层太薄, 有通孔直达基体, 在水性钻井液中容易与基体形成微电池, 对钢基体表现为阴极性镀层, 会加速马达转子基体的腐蚀, 尤其在含氯浓度高的钻井液体系中,寿命更短。c) 电镀过程中, 阴极电流效率一般仅为13%左右, 有大量氢气析出, 不能及时析出基体而溶于镀层中, 使得镀层脆性最佳, 容易鼓泡、脱皮, 造成结合不牢。1. 3 工艺改进措施a) 采用镀乳白铬+ 硬铬的双层镀铬工艺, 可以得到完全没有裂纹和孔隙的镀铬层, 只要镀层完整, 与基体间不能形成微电池, 就有很好的防腐蚀能力 。b) 采用双层镍( 半光亮镍+ 光亮镍) + 硬铬牺牲阳极型工艺电镀, 可以把腐蚀由穿透性发展改向为横向发展, 延缓对基体转子的腐蚀。c) 镀铬后产品工件及时进行析氢处理。2 镀钨合金近年来, 合金电镀工艺不断发展完善, 尤其非晶态的合金镀层越来越多地被人们接受认可。非晶态合金镀层因为具有类似液体的结构, 不存在晶体结构中晶界、位错等结构的不完整性, 具有非常优异的耐蚀性。在W-Ni 合金电镀中, 控制镀液中钨盐的含量, 可以得到W 含量大于44% 非晶态结构镀层。试验表明: 钨合金镀层硬度在550 HV 左右,进行热处理后硬度可达到850 HV, 在边界润滑情况下, 电镀硬铬试样的摩擦因数为0. 12 0. 14, 电镀钨合金试样的摩擦因数为0. 11 0. 14, 完全能够符合转子耐磨的要求。采用W-Ni 系合金镀层的转子经在伊朗等地( 钻井液为盐水体系) 应用, 使用效果良好。镀钨基合金与镀硬铬工艺相比, 有以下3 个优点:a) 属于环保型生产工艺, 危害小, 易于操作。b) 镀层耐酸、氯离子腐蚀优于镀铬, 有良好的抗H2S 腐蚀能力。c) 分散能力和覆盖能力均高于镀铬, 匀镀能力好, 更好地保证镀层的均匀性和马达线型, 接近理论设计参数。3 化学镍磷镀化学镀是一种不需要通电, 依据自身的氧化还原反应原理, 将被镀工件表面去除油污活化后直接放入镀液中, 将金属沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。不存在电镀中由于工件几何形状复杂而造成的电力线分布不均、分散能力和覆盖能力不足等问题, 更适合于形状复杂的转子工件。镀层均匀、针孔小, 耐蚀性高, 根据不同工矿的耐腐蚀要求,确定耐蚀层厚度。现在有很多油田产品采用N-i P化学镀处理。根据螺杆钻具马达转子产品的耐蚀耐磨要求, 选择磷含量10%的镀层工艺, 再经400热处理保温回火1 h。高磷镀层也为非晶态结构,在大气、海水和常见的化工介质中表现出良好的耐腐蚀性。有资料数据表明: 在90 海水中耐腐蚀性能是不锈钢的3 倍; 400 左右热处理后, 镀层中生成强化相Ni3P, 硬度可达850 HV, 能够满足转子需要耐磨的特性。综合考虑性能和经济成本, 化学镍磷镀比起电镀处理节约电费, 而且不需要阳极, 设备费用也要比电镀设备节约不少。这种转子处理工艺的关键是控制好镀液的稳定性。化学镀镍层的防腐和耐磨功能在国外有很多的实际应用, 尤其在发达国家。近年来在国内的应用也越来越受到重视。随着纳米材料技术的不断发展, 有学者和行业领头人将化学镀与纳米技术有机结合, 试验结果表明: 加入纳米级粒子后, 镀层的强化相Ni3P 更多, 镀层的空隙率能由原来的3. 4 点/cm2 降低到0. 7 点/ cm2 , 能够制备更加耐磨、耐腐蚀的镀层。4 陶瓷涂层随着油田钻井技术的发展, 饱和盐水钻井液应用越来越多, 对转子的耐腐蚀要求越来越高, 转子防腐性成为影响钻具性能的关键, 一般的表面处理已经不能很好地满足这种需求, 而高浓度氯离子的防腐更是世界难题, 在这种情形下, 陶瓷涂层是一种比较理想的选择。这种涂层采用热喷涂等方法进行施工, 根据不同要求可以设计不同的施工方案, 处理步骤为: 前处理喷涂后处理。最初用等离子喷涂设备, 现在大多采用更先进的超音速设备和爆炸喷涂设备, 使得涂层的孔隙率更低, 性能更高。热喷涂过程中喷涂粒子的飞行速度高, 冲击能量大, 能形成致密性好的涂层,和基体的结合强度高, 有很强的抗腐蚀性能。涂层硬度可达55 70 HRC, 陶瓷材料的硬度和耐磨性是世界公认的超硬材料, 只是这种处理费用高, 提高了钻具制造成本, 限制了推广使用。若能通过工艺改进, 降低加工成本, 该种涂层的转子会有很大的潜力。陶瓷转子适宜于过饱和盐水钻井体系中, 现场试验该种处理后的马达转子在辽河油田使用效果良好, 在饱和盐水中使用180 h 提钻后, 表面状态基本完好, 仍可以继续使用, 解决了钻具在盐水体系中寿命太短的难题。5 结语转子的表面处理是通过表面涂覆或多种表面工程技术的复合处理, 以改变固体金属表面和形态、化学成分、组织结构和应力状态, 获得所需表面性能的系统工程。根据不同的要求有很多不同的方法, 笔者认为, 各厂家选择处理工艺时, 应依据产品实际的工况需求和产品销售方式设计对应的涂层, 根据自己现有条件进行选择, 以达到使用要求、保证产品的性能为宗旨。笔者曾做过上述几种镀层的耐腐蚀试验( CASS) , 试验数据对螺杆钻具厂家选择转子处理工艺有一定的借鉴。根据试验数据, 普通泥浆钻井中可使用镀铬或镍磷处理转子; W-Ni 合金镀层可用于普通泥浆和盐水体系中; 饱和盐水体系中可以选择陶瓷涂层。参考文献 1 叶卫东, 韩道权, 宋玉杰, 等. 螺杆泵定子与转子的接触分析 J . 石油矿场机械, 2008, 37( 8) : 25- 28. 2 邹龙庆, 魏 丽, 祝 娟. 基于转子动力学方法研究螺杆泵抽油杆柱扶正器的布置 J . 石油矿场机械, 2009, 38( 08) : 58- 61. 3 李明谦, 黄继庆, 袁洪涛. 螺杆钻具壳体断裂分析 J .石油矿场机械, 2009, 38( 6) : 22- 25. 4 朱虎军, 祝效华, 司念亭, 等. 直井复合钻螺杆钻具失效分析 J . 石油矿场机械, 2008, 37( 9) : 62- 64. 5 盖伟涛, 戴瑾华. 井下螺杆泵定子的失效分析及解决方法 J . 石油矿场机械, 2008, 37( 9) : 71- 73. 6 陈治良. 简明电镀手册 K . 北京: 化学工业出版社, 2008: 397- 404. 7 喻 诚. N-i W