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激光表面强化技术在石油机械中的应用 2020-03-22

激光表面处理技术在石油机械中主要用于发电机转子轴承位置再制造,汽轮机叶片、转子再制造,烟机轮盘再制造,各种腐蚀性泵体表面激光耐蚀熔覆,石油输送管道激光强化,石油开采平台钻井螺杆及扶正器、稳定器等零部件表面的激光防腐、耐磨熔覆等。国内许多公司、科研院所、高校等都致力于激光表面处理的研究。


激光淬火

已经应用于组合泵缸套、整体泵泵筒、油管螺纹和钻杆接头螺纹等零件的表面改性,有效提高了零件的耐磨性、延长了使用寿命和更换周期。史春轩等对美国石油学会(api)油管螺纹表面进行淬火,硬化层深度控制在牙顶0.4~0.8mm,牙底0.1~0.4mm,淬硬层硬度控制在320~400hv,增强了螺纹的表面硬度和耐磨、耐蚀性能,有效解决了油管黏扣问题。葛鹏飞对石油钻杆进行激光淬火,接头表面硬度比氮化表面硬度高10%左右,硬化层深度是氮化表面厚度的2~3倍,极大地提高了钻杆接头螺纹的机械性能和使用寿命。郝广辉对牙轮钻头球面浮动套轴承进行激光淬火,使得球面浮动套轴承内外表面的硬化层硬度达到了833.454hv,而轴承芯部硬度值在200hv 左右,提高了轴承的耐磨性,也实现了球面浮动套轴承的外刚内韧。华希俊等对泥浆泵缸套表面进行激光淬火,硬度显著提高,可达1105.7hv,表面摩擦系数也从未淬火的0.65下降到淬火后的0.3,磨损率也显著减小。计算机数值模拟为激光淬火过程提供了良好的理论基础,对实验研究及应用均具有重要的参考价值。青岛理工大学惠英龙等模拟了18crni8齿轮钢在激光淬火时的温度场,比较真实地模拟了齿面的激光淬火过程,模拟结果和实际情况极为相近。将激光淬火与其他常用的热处理方法、热-化学处理等技术相结合也是极具潜力的一个发展方向,如激光淬火-离子渗硫复合技术、激光淬火-渗氮复合技术等,实现优势互补。王祎雪对38crmoal钢采用离子渗氮与激光淬火复合处理,发现复合工艺改性层的硬度及厚度相比于单一的激光淬火处理显著提高。


作为一种高效的增材制造工艺,在石油机械设备中常用于石油管道阀门、注水泵柱塞、抽油光杆和压裂泵阀座等高附加值零件的表面强化和修复。孙全研究了激光熔覆技术对炼油厂火炬气螺杆压缩机壳体及阴阳转子的修复情况,采用多层熔覆工艺,熔覆层数达到了5层,最厚熔覆层总厚度达到4mm,大面积熔覆取得成功,修复后设备功能恢复良好,压缩量基本满足生产工艺要求。张再良等以抽油机光杆常用的20crmo钢为基体材料,选择co基、ni基和fe基合金粉末为熔覆材料,测得合金涂层硬度co基为520 hv0.2,ni基为408hv0.2,fe 基为370 hv0.2,而基体硬度为265hv0.2,试件的硬度比基体显著提高,且其耐磨性均有所提高。程颢等对油田中使用的注水泵柱塞激光熔覆修复技术进行了研究,选取镍基粉末作为涂层材料,对比不同激光参数下的涂层硬度,可使注水泵柱塞使用寿命延长5%,成本降低38%以上。肖真以普光分公司天然气净化厂汽轮机汽缸结合面的变形故障作为研究对象,以激光熔覆技术对汽缸变形位置进行现场修复,对熔覆层进行渗透检测和超声波检测发现,熔覆层完好无缺陷,汽缸回装后引汽试机,汽缸漏气现象消除。孙建波等在石油钻杆接头表面激光熔覆一层耐磨的铁基合金涂层,具有成型好、组织致密、部件均匀、无裂纹等优点,并且激光熔覆耐磨和耐腐蚀铁基合金涂层的厚度可精确控制在0.3~1.5mm,解决了油田钻杆接头失效过快的问题,且钻杆接头的制造和加工过程的自动化很容易实现。

激光熔覆层及20crmo基体的磨损失重图

激光熔覆层及20crmo基体的磨损失重图


激光合金化

在石油机械设备中,激光合金化主要用于油管、螺杆和汽轮机叶片的表面处理。孙小磊等在n80油管表面预置ni-cr-ti-b4c-la2o3合金粉末,通过激光处理后合金化层的硬度最高可达580hv0.2,比基体高30hv0.2左右,腐蚀电流密度由0.302μa/cm2 降低到0.125μa/cm2,耐蚀性得到改善。刘通等在45#钢表面激光合金化不同比例的nicr与al2o3混合粉末后,合金化层的平均耐磨性能是基材的6倍以上,且al2o3含量越高,

耐磨性能越好。王珏等对40cr材质的螺杆进行激光纳米合金强化后,其硬度相对基体提高3倍,硬化层厚度大于0.25mm,平均寿命提高了2~3倍。姚建华等对调质态2cr13低碳马氏体不锈钢汽轮机叶片进行激光合金化处理,硬化层表面平均硬度提高了180%左右,残余压应力转变为残余拉应力。

mo含量与合金化层硬度的关系曲线

mo含量与合金化层硬度的关系曲线


激光冲击强化

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波来提高材料疲劳寿命的新型表面改性技术,具有强化效果显著、可控性强、适应性好等优点,对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要作用,其原理图如图6所示。目前在航空航天和军工领域应用比较普遍,在石油化工领域具有巨大的潜在应用市场。孔德军等对x80管线钢焊接接头进行激光冲击强化处理,使焊接接头疲劳极限强度提高了11.2%。

激光冲击原理图

激光冲击原理图


相对于传统的表面处理方式,激光表面处理技术精度高、工件变形小、清洁无污染,适合高端石油装备的制造。


久恒光电摘编自《激光与光电子学进展2019年3月

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