一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法技术

本发明专利技术提出了一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，属于金属杆管的加工领域。对细长管件内壁进行除油、除锈等常规处理后，采用自行设计的内壁喷涂设备(图1)喷涂自制吸光涂料，然后利用大功率激光器和激光导光系统(图3)对管件内壁进行激光表面相变硬化处理。自制的吸光涂料组成为：SiO2含量85％-100％，Y2O3含量0-7.5％，膨润土含量0-7.5％，使用前球磨1-3小时。激光相变硬化所用激光器功率为1000-3000W，线扫描速度为1000-3500mm/min，调整管件的旋转和激光导光系统的横向进给，可得到不同形状的激光相变硬化强化带。激光相变硬化层深度为0.3-1.0mm，管件内壁表面硬度达到40-55HRC，表面光洁无裂纹，显微组织超细化，耐磨性和耐蚀性明显提高，大大延长了管件的使用寿命，拓宽了管件的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属杆管的加工领域，涉及，可以用来提高细长管件的耐磨性和耐蚀性，延长管件的使用寿命，拓宽其应用领域。
技术介绍
细长管件是石油石化行业以及其它工农业部门大量使用的部件。抽油泵泵筒长度一般为3-9m，而直径一般小于90mm，属于细长管件。油管和套管是油气田开发时下入油井套管内的管柱钢管，是原油从地下输送到地面的通道和支撑，也都属于细长管件的范畴。它们在油气田开发中都大量米用。目前，我国油、气田开发大部分已进入中、高含水期，井液中富含H2S、C02、02、Cl-等腐蚀介质。同时井深结构的影响造成各种管件弯曲，管柱在工作中受交变载荷的影响 也会产生弯曲变形，从而造成抽油杆、油管和套管三者之间的相互偏磨，腐蚀和磨损的相互作用引起油管和套管穿孔失效。抽油泵泵筒与柱塞是一对重载摩擦副，在强腐蚀介质中，泵筒也面临着严重到腐蚀和磨损失效。这些都大大增加了油田开发成本。腐蚀性介质一般在细长管件内部流动，摩擦副相互运动也在内壁进行，因此有必要对各种细长管件内壁进行强化。然而，由于受到形状和尺寸的限制，目前可以采用的内壁强化方法较少，主要有表面涂镀和化学热处理两大类。表面涂镀主要有化学镀Ni-P、电镀Cr、电镀W等方式，化学热处理主要包括渗碳、渗氮，另外，管件内壁的表面防护方式还有内衬高密度聚乙烯(HDPE)、玻璃钢、不锈钢等耐磨耐蚀材料等。化学镀Ni-P镀层具有优良的耐蚀性、焊接性和减摩效果，不受镀件尺寸的限制，但镀层较薄、与基体结合力弱、硬度低、耐磨性较差且镀层质量不稳定，另外化学镀镀液具有污染性，对环境危害很大，这严重限制了该技术的应用和推广。镀Cr层具有光亮、坚硬(硬度为800 1000HV0. 2)、抗变色、耐热、耐磨等特点，但镀Cr过程会产生铬雾，会对工人和环境造成很大的危害。与镀Cr相比，电镀W有明显的环保和节能优势。二者在表面处理方面都获得了一定程度的应用，但由于镀层与基体的结合为机械结合，结合力较弱，镀层易脱落，尤其在磨粒磨损的高应力腐蚀环境中，镀层脱落后会成为腐蚀源，从而加速基体的腐蚀。渗碳可以保证材料良好的硬度和耐磨性，但耐蚀性较差，且渗碳温度高、时间长，工件变形严重；与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而工件畸变小，但渗氮时间长，渗氮层很脆，另外，由于心部硬度较低，渗层也较浅，只能满足承受轻度、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的零部件。碳锆复合树脂涂料是将具有自润滑性能的非金属和超硬金属材料与环氧、尼龙等树脂复合而成。将碳锆复合树脂涂料在一定条件下通过热熔融方式涂覆在管件内表面，经高温固化后形成碳锆复合树脂内涂层的技术。固化后生成的保护涂层呈网状交联，在微观上有一定的孔洞，具有微观弹性，能减轻一定的正压力作用产生的磨损，具有超强耐磨和优良防腐双重性能，但成本偏高。内衬HDPE是在钢制普通油管内衬一层特种聚乙烯管，采用专用技术使衬管与油管贴在一起，形成“管中管”结构。这种内衬油管不仅可以解决油管偏磨与腐蚀难题，同时由于聚乙烯管摩擦系数较低，还可降低油井光杆负荷、抽油杆柱底部应力。由于聚乙烯材料耐热性差，它们不能用于高压气井和温度超过210°C的井下工况。衬里使油管的内径略微缩小，且腐蚀液容易从端部渗入，造成管件的腐蚀和衬里的剥离。另外，泵、抽油杆、抽油杆接箍上的尖锐边缘和严重麻点也可能损坏衬里。为避免对衬里造成机械损伤，在井场应该对所有井下部件进行快速检查。双金属复合管衬管采用薄壁耐蚀合金材料管材。可根据腐蚀环境的不同，选用相应的衬管(普通/特种不锈钢管、钛/铝等)材料，保证良好的耐腐 蚀性能；基管采用碳钢(无缝或焊接钢)管或其他合金钢管，保证优异的机械力学性能。双金属复合管可以保证优良的综合性能，但价格昂贵。上述各种表面强化工艺在许多零部件加工过程中都有成功的应用，但由于其固有的缺点，限制了其在细长管件内壁表面强化方面的应用。激光相变硬化技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光相变硬化后，马氏体和亚结构晶粒都被超细化，残余奥氏体也被显著强化。该方法主要用于强化零件的表面，在提高金属材料表面性能的同时使零件心部仍保持较好的韧性，使零件具有耐磨性和耐蚀性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点，且相变硬化层厚度厚，与基体呈冶金结合，结合强度高，工件变形小。针对上述各种细长管件内壁表面强化工艺的不足，本专利技术在普通细长管件的基础上，采用吸光涂料内喷涂设备、激光导光系统及大功率激光器，对管件内壁进行激光表面相变硬化处理，得到激光相变硬化层，大大改善了管件的耐磨耐蚀性能，延长了管件的使用寿命，拓宽器应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种细长管件内壁激光表面相变硬化新方法，以改善管件材料的显微组织形态，提高管件内壁的耐磨性和耐蚀性，延长管件的使用寿命，拓宽其应用领域。本专利技术目的是通过下述技术方案实现在细长管件的常规加工工序后，对管件内壁进行除油、除锈处理，采用自行设计的内壁喷涂设备喷涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光导光系统对管件内壁进行激光表面相变硬化处理，得到耐磨耐蚀性能优良的激光相变硬化层。清除管件内壁污物的一种方法是将喷丸机的喷嘴对准管口进行喷丸处理，管件内壁上的油、锈会随同喷丸一同从管件另一端喷出，达到清除油污的目的，同时使管件内壁呈压应力状态。另外，清除管件内壁污物的方法也可以是喷砂、酸洗等。内喷涂设备(见图I)通过导杆端部的旋杯高速旋转使吸光涂料雾化，在后部旋转电机的拖动下向后运动，对管件内壁进行喷涂。喷涂层必须均匀、致密、平整且厚度要合适，实物效果图见图2。自制的吸光涂料组成为Si02含量85%-100%，Y203含量0-7. 5 %，膨润土含量0-7.5%，粘结剂使用虫胶片饱和的酒精溶液，稀释剂为稀料，使用前球磨1-3小时。内喷涂设备工作参数是风动机工作压力O. 5-0. 9MPa，转速10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,导杆移动速度 30_60m/min。细长管件内壁激光表面相变硬化是通过管件的轴向旋转及激光导光系统(见图3)的横向进给来实现的。细长管件相变硬化后的实物图见图4。大功率激光器可采用圆形光斑或矩形光斑，功率为1000-2000W，扫描速度为1500-3500mm/min。激光导光系统的工作原理是通过一导光杆让激光可以在细长管件内部聚焦，从而实现对油管内部的加工。管件内壁的激光相变硬化强化带可以是不同间距的螺旋、不同网格大小的螺旋网格或不同间距的直纹。不同间距的螺旋通过如下方式实现管件以一定的速度轴向旋转，激光导光系统横向进给，得到螺旋强化带。改变管件旋转速度和激光导光系统的横向进给速度，可得到不 同间距的螺旋强化带。不同网格大小的螺旋网格是通过如下方式实现的完成单方向的螺旋强化带加工后，管件以相同速度反向旋转，激光导光系统横向进给，得到螺旋网格强化带。改变管件旋转速度和激光导光系统的横向进给速度，可得到不同间距的螺旋网格强化带。不同间距的直纹强化带是通过如下方式实现的先保持管件固定，激光导光系统横向进给完成一次激光扫描，管件旋转一定角度后，再进行一次激光扫描，重复以上过程，直至完成整根管件的加工，得到直纹强化带。改变管件每次旋转的角度，可得到不同间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，其特征在于：对细长管件内壁进行除油、除锈处理后，采用自行设计的内壁喷涂设备喷涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光导光系统对管件内壁进行激光表面相变硬化处理。

【技术特征摘要】
1.一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，其特征在于对细长管件内壁进行除油、除锈处理后，采用自行设计的内壁喷涂设备喷涂自制吸光涂料，最后利用大功率激光器和激光导光系统对管件内壁进行激光表面相变硬化处理。2.根据权利要求I所述的一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，其特征在于吸光涂料内喷涂设备通过导杆端部的旋杯高速旋转使吸光涂料雾化，在后部旋转电机的拖动下向后运动，对内壁进行喷涂。3.根据权利要求2所述的一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，其特征在于内喷涂设备工作参数是风动机工作压力O. 4-0. 9MPa，转速为10000-18000r/min，送料速度150-250mL/min,导杆移动速度 30_60m/min。4.根据权利要求I或2所述的一种细长管件内壁激光表面相变硬化方法，其特征在于自制的吸光涂料组成为SiO2含量85% -100%，L2O3含量0-7. 5%，膨润土含量0-7. 5%，粘结剂使用虫胶片饱和的酒精溶液，稀释剂为稀料，使用前球磨1-3小时。5.根据权利要求I或2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，韩彬，赵卫民，韩涛，孙建波，董立先，薛敏鹏，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：