1、 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
2、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.
3、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 ,
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 , 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 ,
11、 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
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