防腐抽油泵介紹

1、防防 腐腐 抽抽 油油 泵泵 介介 紹紹 一、設(shè)計(jì)依據(jù)： 項(xiàng)目組通過(guò)與東北大學(xué)材料學(xué)院和中科院金屬所交流，查閱SY/T0599天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂金屬材料要求、石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)、NACE MR0176-2000腐蝕油井環(huán)境抽油泵的材料要求，對(duì)各種材料的防腐能力有了更深的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合生產(chǎn)成本，初步確定了防腐泵各組件的材料選擇范圍。 根據(jù)敘利亞用戶的要求，防腐抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為薄壁桿式抽油泵，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖： 二、設(shè) 計(jì)：（1）、泵筒： 根據(jù)GB/T186072001抽油泵及其組件規(guī)范要求，泵筒材料有碳鋼、不銹鋼、海軍黃銅、蒙耐爾合金，但后兩種材料比較昂貴，成本較高，不利于大批量推廣。泵筒

2、的內(nèi)表面強(qiáng)化方式分為鍍硬鉻和碳氮共滲兩種，就耐磨和防腐性能而言，鍍鉻工藝強(qiáng)于共滲工藝。由上述的腐蝕機(jī)理可知，當(dāng)油井礦化度較高時(shí)，井液成為了電解液，如果泵筒采用碳鋼上鍍鉻，鍍鉻層的電位比碳鋼的電位高則會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，如果鍍鉻層致密性差，使電解液進(jìn)入鍍層與基體之間腐蝕，最終會(huì)造成鍍鉻層脫落；而采用共滲工藝，則井液中的濕硫化氫、二氧化碳形成稀硫酸和碳酸，會(huì)對(duì)泵筒造成化學(xué)腐蝕?？梢?jiàn)兩種內(nèi)表面處理方法均不能抵抗腐蝕。 如果在提高鍍鉻層致密程度的前提下，采用與鍍鉻層電位差小的不銹鋼（鉻鋼）作為泵筒基體材料，并采取內(nèi)孔鍍硬鉻的處理方法就不會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，同時(shí)抗化學(xué)腐蝕的能力也較強(qiáng)，由此可見(jiàn)采用不銹鋼

3、材質(zhì)的泵筒且內(nèi)孔鍍鉻處理是切實(shí)可行的方案。綜合以上結(jié)論并根據(jù)API抽油泵材料選擇原則，確定泵筒采用1Cr5Mo為材料。1Cr5Mo為馬氏體型不銹鋼，可通過(guò)熱處理強(qiáng)化，經(jīng)適當(dāng)溫度回火處理后，可獲得良好的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性等綜合性能。一般可在400以下使用。但由于隨強(qiáng)度、硬度的提高，耐蝕性有下降的趨勢(shì)，為避免氫應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕，根據(jù)SY/T0599天然氣地面設(shè)備抗硫化氫應(yīng)力開(kāi)裂金屬材料要求的規(guī)定，硬度應(yīng)小于HRC22（HB234），所以泵筒基體的硬度定為HB190220。 （2）、柱塞： 根據(jù)GB/T18607抽油泵及其組件規(guī)范要求，柱塞材料有碳鋼、不銹鋼。因?yàn)楹笃趪姾柑幚?，不銹鋼噴焊工藝復(fù)雜，質(zhì)量難

4、以控制，同時(shí)成本較高，故選用45鋼材料外表面噴焊鎳基粉末。由腐蝕機(jī)理可知材料的強(qiáng)度、硬度越高，氫脆腐蝕敏感性越大。鋼的微晶組織結(jié)構(gòu)對(duì)氫脆也有影響，淬火和回火材料要比正火和退火的材料有更好的抗氫脆性。因此為避免H2S腐蝕造成氫應(yīng)力開(kāi)裂，柱塞毛坯供貨時(shí)應(yīng)是回火狀態(tài)，硬度HB190-220。為提高柱塞內(nèi)表面及螺紋的防腐能力，在對(duì)試樣進(jìn)行了模擬工況試驗(yàn)后，確定了柱塞的防腐措施為整體鎳磷鍍處理后，精磨外徑，再噴焊Ni60鎳基粉末。為保證防腐效果，鎳磷鍍含磷量13%。為不影響螺紋配合，鍍層單邊厚度0.02mm。 （3）、閥副 在GB/T18607抽油泵及其組件規(guī)范規(guī)定中，閥副材料分為不銹鋼、鈷合金、和硬質(zhì)

5、合金。綜合對(duì)比表明，硬質(zhì)合金的防腐性能和抗沖擊性能好，故選硬質(zhì)合金作為閥副材料?？紤]到閥球與閥座的形狀和受力狀況，將閥球材料定為YG8，硬度HRA88-89，閥座材料定為YG11,硬度HRA85-86。 對(duì)于腐蝕嚴(yán)重、要求閥副沖擊韌性高的工況，推薦使用司太利合金材料。 （4）、閥罩 抽油泵的閥罩在工作中承受交變載荷，且受到井液和閥球的沖擊，尤其是在含砂井中，容易發(fā)生沖刷磨蝕、應(yīng)力腐蝕和氫脆，所以對(duì)材料性能要求較高，既要求有較高的機(jī)械性能，還要避免在受力狀態(tài)下的開(kāi)裂問(wèn)題。根據(jù)SY/T0599中對(duì)于潮濕H2S環(huán)境下的材料選擇原則，推薦使用3Cr17Ni7Mo2N（UNS S31800），這是一種C

6、-N強(qiáng)化的奧氏體不銹鋼。一般說(shuō)來(lái)，含鉬的奧氏體不銹鋼在有機(jī)酸和某些還原性酸中有更好的耐蝕性；而鉻能提高鋼耐CO2、H2S的腐蝕能力；鎳能提高鋼對(duì)酸、堿的腐蝕能力，同時(shí)還能提高鋼耐腐蝕疲勞的性能。 3Cr17Ni7Mo2N不僅具有良好的抗硫化氫腐蝕能力，機(jī)械強(qiáng)度也較高，適用于含硫油井的金屬材料。 3Cr17Ni7Mo2N經(jīng)固溶處理，硬度HRC22，其機(jī)械性能如下： 常規(guī)閥罩使用的材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理，機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度b MPa屈服強(qiáng)度s MPa延伸率斷面收縮率硬度HRC78542035%40%22（HB235）抗拉強(qiáng)度b MPa屈服強(qiáng)度s MPa延伸率斷面收縮率硬度HRC62036016%

7、40%HB229-269 （5）、卡套 卡套是桿式泵上的彈性零件，用于座封整個(gè)抽油泵，不僅要求材質(zhì)有較高的強(qiáng)度，還要有良好的彈性。常用的桿式泵卡套材料為60Si2Mn淬火處理，硬度HRC4046。但腐蝕油井中由于H2S、CO2、O2及鹽類的存在，必須選擇能夠防腐蝕的材料或表面處理方法。在酸腐蝕條件下彈簧材料一般選用耐酸不銹鋼。如：奧氏體型1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti；馬氏體型3Cr13和4Cr13；沉淀硬化型0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al。1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti抗腐蝕能力較好，但熱穩(wěn)定性差，且只能制成簧絲，不能制作卡套。 馬氏體型3Cr13和4Cr1

8、3的強(qiáng)度、硬度淬透性和熱強(qiáng)性都較高。它的抗腐蝕能力不如奧氏體型不銹鋼，但在弱腐蝕介質(zhì)中，有較好的抗腐蝕性能，同時(shí)有較好的熱穩(wěn)定性。這類材料一般用于制作機(jī)械性能要求較高、抗腐蝕性能要求較低、工作溫度300以下的彈簧。我們?cè)?jīng)用3Cr13制作成卡套，但其彈性較差，并且在做側(cè)壓13kN試驗(yàn)時(shí)，脆性太高，卡套壓碎。顯然3Cr13不能滿足桿式泵的使用要求。 沉淀硬化型0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al有很高的強(qiáng)度和較好的韌性。這類鋼加工性能好，可以冷成型，抗腐蝕性能亦較好。但由于價(jià)格較高，只用于有特殊要求，高性能的不銹彈簧。 確定卡套材料仍然使用60Si2Mn ，但必須進(jìn)行表面處理，從而提

9、高防腐能力。一般情況下，表面防腐的方式主要有三種，一是表面鍍層防腐，如：鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、鎳磷鍍等；二是表面涂層；三是表面基體處理防腐，如：發(fā)藍(lán)、碳氮共滲、氮化等。這三種方法都是在表面形成保護(hù)層，達(dá)到防腐的目的。具體優(yōu)缺點(diǎn)如下： 表面防腐方式優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)表面鍍層處理溫度不高，不會(huì)對(duì)卡套機(jī)械性能產(chǎn)生影響、鍍層結(jié)合強(qiáng)度低，不耐磨，容易脫落。、鍍層工藝會(huì)出項(xiàng)“氫脆”。、鍍層會(huì)引起尺寸變化（如螺紋），影響互換性。、鍍鉻不耐酸的腐蝕。 表面涂層表面是一層非金屬涂層，具有很高的防腐性能 、表面非金屬涂層強(qiáng)度低，不耐磨，容易脫落，造成大面積腐蝕。、表面涂層在較高溫度下（大于100）容易老化，開(kāi)裂。 氮化、由

10、于是基體強(qiáng)化，結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨。、硬化層形成壓應(yīng)力，有效提高疲勞強(qiáng)度。、處理后工件變形小（0.01mm），不影響互換性。、防腐效果比上述鍍層工藝好。 、處理溫度較高（570），但可通過(guò)工藝調(diào)整克服。、工藝較為復(fù)雜。 通過(guò)比較氮化工藝更加適合卡套的使用工況，故選擇60Si2Mn表面氮化的技術(shù)方案，即采用法國(guó)舍舍夫（SURSRLF）技術(shù)，對(duì)卡套表面進(jìn)行鹽浴氮化處理，表面形成雙層氮化組織，下面是氮化鐵層（厚度810m），表面是泡沫層（厚度68m）；再采用法國(guó)阿可（ARCOR）技術(shù)，對(duì)卡套表面進(jìn)行鹽浴氮化處理，表面泡沫層氧化形成保護(hù)膜。經(jīng)過(guò)上述兩道工序，卡套表面引入了很高的殘余壓應(yīng)力，提高了抗疲勞強(qiáng)度

11、，同時(shí)經(jīng)過(guò)阿可技術(shù)氧化處理后，可以消除鍍層工藝遇到的“氫脆”問(wèn)題。然后再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理、克拉克油浸泡等工藝，降低脆性，提高韌性，增強(qiáng)表面的防腐能力。 通過(guò)上述處理過(guò)程，可在機(jī)械性能不下降的同時(shí)，使卡套具備較好的防腐能力，滿足腐蝕油井的工況要求。 （6）、其它組件 其它組件由于對(duì)機(jī)械性能要求不高，采用2Cr13不銹鋼，它是一種馬氏體型不銹鋼，抗腐蝕性和耐磨損性能良好。為防止氫應(yīng)力開(kāi)裂，調(diào)質(zhì)處理，硬度HB190220。 三、室內(nèi)試驗(yàn)三、室內(nèi)試驗(yàn) 1、試驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備 （1）、配制5%的NaCl溶液，加入74.2g的Na2CO3，并用乙酸調(diào)節(jié)PH值至4。 （2）、試件在濕熱箱中，升溫至90，連續(xù)通入H2S氣體，1015min至飽和狀態(tài)，容器密封，觀察后再向容器內(nèi)通入H2S氣體，并調(diào)整PH值，如此循環(huán)操作。 2、試驗(yàn)結(jié)果：材 料數(shù)量表面處理腐蝕開(kāi)始時(shí)間最終腐蝕情況35CrMo1未處理40小時(shí)后腐蝕嚴(yán)重60Si2Mn1氮化處理120小時(shí)后